dott.ssa Daniela Cavalcoli Dip di Fisica Università di Bologna I metalli e i semiconduttori, le proprietà elettriche. Applicazioni: i sensori,.. dott.ssa Daniela Cavalcoli Dip di Fisica Università di Bologna

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Indice Andiamo a vedere cosa succede “dentro” un solido! Dal macroscopico al microscopico. I legami chimici. Il legame covalente I metalli I semiconduttori La conducibilità elettrica La struttura a bande Dipendenza della conducibilità elettrica dalla temperatura Le applicazioni e l’attività di ricerca

Dal macroscopico al microscopico. (animazione).

Che cos’è un solido? atomi molecole solidi Atomo: struttura atomica. Richiamo ANIMAZIONE orbitali atomici ad ogni orbitale →un livello energetico (discreto) ANIMAZIONE: gli atomi ENERGIA (a) (b) Quando due atomi vengono avvicinati tra loro, si genera una forza che causa una distorsione delle loro nubi elettroniche ed un cambiamento dei livelli energetici. ANIMAZIONE: le molecole Durante la formazione dei legami chimici, gli atomi raggiungono una situazione di maggiore stabilità . L’energia totale del sistema costituito dai due atomi legati insieme è minore dell’energia totale del sistema costituito dai due atomi separati.

I legami covalente, ionico, metallico Elettronegatività è una grandezza che misura “ la forza” con cui ogni atomo tiene legati a sé i suoi elettroni Il legame covalente Il legame covalente (o omopolare) consiste in una distribuzione uniforme della carica elettronica nello spazio compreso tra i due atomi. Animazione Il legame ionico Un legame ionico si forma fra atomi che hanno una forte differenza di elettronegatività (> 1,7). Il legame metallico I metalli hanno bassa energia di ionizzazione (quantità di energia necessaria per strappare un elettrone a un atomo neutro) e di elettronegatività. Quindi i loro elettroni esterni sono attratti debolmente dai rispettivi nuclei, e se ne separano facilmente. Animazione: i metalli, struttura elettronica

I metalli Circa i quattro quinti di tutti gli elementi sono metalli, che sono tutti solidi tranne il mercurio (Hg). conducibilità elettrica conducibilità termica lucentezza malleabilità e duttilità La libertà di movimento degli elettroni è all’origine delle proprietà dei metalli (animazione)

Il legame covalente e metallico. Distribuzione degli elettroni Gli elettroni che possono prendere parte ad un legame covalente sono detti elettroni di valenza Come si forma un solido? Dagli orbitali atomici agli orbitali cristallini (animazione) Il legame covalente si esercita tra molte delle molecole esistenti: Biatomiche (H2, N2, O2 ..) Poliatomiche(CO 2, CH 4, ecc.) in alcune molecole organiche in molti solidi (diamante, Si,Ge ecc.) In che modo la struttura elettronica di un solido dipende dal legame chimico? (animazione)

I solidi Un solido è costituito da atomi o molecole legati tra di loro in modo rigido Cristalli disposizione regolare Esempi: silicio,SiC,GaN Amorfi disposizione irregolare Esempi: vetro, silicio- poli e multi-c Animazione

Solidi cristallini - Legame covalente. Un esempio: il diamante Esistono solidi in cui gli atomi sono legati l’uno all’altro da legami covalenti e costruiscono un’unica struttura (dove non si individuano singole molecole). Un esempio è il diamante, costituito da carbonio puro. Ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi di carbonio, disposti intorno ad esso secondo i vertici di un tetraedro. Il carbonio è inoltre “protagonista” di un fenomeno importante: il polimorfismo dei solidi. Una certa sostanza cambiando temperatura e pressione durante la crescita, può assumere forme cristalline diverse.

Polimorfismo La grafite Il diamante

La conducibilità elettrica dei solidi Isolanti Conduttori Semiconduttori

Definiamo innanzitutto che cosa è la conduzione elettrica Perché i solidi si comportano in modo così diverso rispetto alla conduzione elettrica? M Faraday Definiamo innanzitutto che cosa è la conduzione elettrica L Galvani A. Volta

Legge di Ohm, conducibilità elettrica corrente Prima legge di Ohm, R= resistenza elettrica G.S. Ohm Seconda legge di Ohm, ρ resistività Corrente elettrica e legge di Ohm σ = 1/ρ σ conducibilità Qual è il meccanismo microscopico della conduzione elettrica nei solidi? Il modello di Drude P Drude

I solidi hanno diverse conducibilità o resistività? Resistività (cm) Materiale <10 -3 Metalli 10 -3 <  <10 5 Semiconduttori  >10 5 Isolanti I Metalli. Gli elettroni sono liberi di muoversi. La conducibilità diminuisce con la temperatura. I Semiconduttori. Allo zero assoluto non c’è conducibilità elettrica e la conducibilità cresce con la temperatura. Gli isolanti. Conducibilità zero in un ampio intervallo di temperature. E come variano questi parametri con la temperatura?

Come possiamo interpretare questo a livello microscopico? Perché? Come possiamo interpretare questo a livello microscopico? E Fermi C Maxwell L Boltzmann P Dirac

Formazione delle bande nei solidi Consideriamo un solido fatto con con una sostanza che abbia un solo orbitale s. Quando il numero di atomi che hanno orbitali che si sovrappongono cresce diminuisce la distanza tra i livelli energetici degli orbitali. Nel caso di N atomi (N=) i livelli energetici sono così vicini che appaiono come un continuo. Animazione: bande di energia

Riempimento delle bande nei solidi Le diverse proprietà elettriche derivano dal diverso riempimento delle bande di energia nei solidi Come avviene questo riempimento? animazione

Diagramma a bande: metallo EF EC,V Banda di conduzione parzialmente piena E = 0 Funzione di Fermi Bande di energia da riempire A T = 0, tutti i livelli nella banda di conduzione sotto l’energia di Fermi EF sono riempiti con elettroni, mentre tutti i livelli al di sopra di EF sono vuoti. Gli elettroni sono liberi di muoversi negli stati vuoti della banda anche con solo un debole campo E, → elevata conducibilità elettrica! A T > 0, gli elettroni hanno una certa probabilità non nulla di essere termicamente eccitati da sotto a sopra il livello di Fermi.

Diagramma a bande: isolante EF EC EV Banda di conduzione (Vuota) Banda di valenza (Piena) Egap T > 0 At T = 0, la banda di valenza è piena di elettroni mentre la banda di conduzione è vuota, → conducibilità zero. Energia di Fermi EF è a metà di un largo gap energetico (2-10 eV) tra la banda di valenza e di conduzione. A T > 0, gli elettroni NON sono eccitati termicamente dalla banda di valenza alla banda di conduzione →conducibilità zero. Nota: KT a T=300K è pari a 0.0259eV, quindi <<Egap

Diagramma a bande: semiconduttore non drogato EF EC EV Banda di conduzione (parzialmente piena) Banda di valenza (parzialmente vuota) T > 0 A T = 0, la banda di valenza è piena di elettroni e la banda di conduzione vuota →conducibilità zero. L’energia di Fermi EF è a metà di un gap piccolo (<1 eV) tra la banda di conduzione e la banda di valenza. A T > 0, gli elettroni vengono eccitati termicamente dalla banda di valenza alla banda di conduzione, →conducibilità misurabile.

Bande di energia per alcuni solidi

Quindi un semiconduttore non drogato si comporta quasi come un isolante Vediamo cosa vuol dire drogare un semiconduttore Animazione drogare “n” es P in Si Animazione drogare “p” es B in Si Drogare (doping) = aggiungere impurezze (poche!) Aggiungendo queste poche impurezze la conducibilità cambia drasticamente! animazione Concentrazione di impurezze (es doping in Si): = 1015cm-3/1022cm-3 = 10-7 piccola rispetto alla densità atomica del materiale!

Perché i solidi hanno diverse caratteristiche elettriche? A causa del loro diverso diagramma a bande! Animazione 1 (isolanti e conduttori) Animazione 2 (semiconduttori)

E come varia la resistività elettrica r con la temperatura? Dalla teoria classica della conduzione elettrica nei solidi (modello di Drude) si ottiene che: Scattering time τ è il tempo medio tra le collisioni elettrone-atomi del reticolo n concentrazione elettronica, μ mobilità vd= μE Animazione 1 Metallo: resistenza cresce con T Perchè? T  t  r Semiconduttore: la resistenza decresce con T. Perchè? T  t, n (la T libera elettroni per la conduzione)  r

R(T) per un metallo T  τ, ρ  cammino libero medio fra urti successivi T  τ, ρ  Velocità termica Per un metallo al crescere di T aumenta ρ e quindi R

Che cosa succede per un semiconduttore? Comportamento di R vs T metalli e semiconduttori Animazione 1 Semiconduttori: cresce la densità elettronica n Animazione 2

Riassumendo un semiconduttore ha: A T= 0K: banda di valenza completamente occupata banda di conduzione completamente vuota - piccolo gap di energie proibite Eg= 1,1 eV (Si); 0,7 eV (Ge); 1,4 eV (GaAs) A T>0K: - un elettrone può essere eccitato dalla banda di valenza a quella di conduzione - ogni elettrone che passa in banda di conduzione lascia un posto vuoto (buca) in banda di valenza - anche la buca in banda di valenza è “mobile”, perché può essere occupata da un elettrone che lascia a sua volta una buca e così via - sotto l’azione di un campo elettrico esterno il moto di deriva avviene sia in banda di conduzione che in banda di valenza due contributi alla conducibilità: contributo degli elettroni in banda di conduzione contributo delle buche in banda di valenza

resistenza elettrica in semiconduttori debolmente drogati zona “estrinseca”: tutti i portatori di maggioranza sono in banda di conduzione, la resistenza elettrica cresce linearmente con T perché cala la mobilità zona “intrinseca”: i portatori “intriseci” cominciano a passare con crescente probabilità in banda di conduzione, la resistenza elettrica diminuisce esponenzialmente con T perché cresce la densità n di portatori

Conduciblità, semiconduttore drogato (tipo n) A basse T, in regime estrinseco Nd >> ni ; n>>p, → n= Nd + ni ≈ Nd n è indipendente da T, quindi σ = neμ = Nd eμ(T) → σ vs T come μ vs T (μ≈T-3/2) A T maggiori, in regime intrinseco gli elettroni “saltano” in banda di conduzione, Nd << ni, n ≈ ni, σ=neμe+ peμh visto che μ indip da T σ vs T come ni, vs T, in particolare ni≈T3/2 exp(-E g /2KT) Un plot semilogaritmico di σ vs T fornisce una linea retta di pendenza Eg(0)/2K

Per saperne di più S.M. Sze, “Fisica dei dispositivi a semiconduttore”, Tamburini editore. R.Fieschi “Stati e Trasformazioni della Materia”, NIS La nuova Italia Scientifica. CD: R. Fieschi “Dal silicio al computer” proprietà ed applicazioni dei semiconduttori (in Italiano,versione on-line http://archimedes.infm.it/dsac/) CD: R. Fieschi “EDUMAT” (italiano) CD: R. Fieschi“EDUMAT 2” (inglese) (per l’acquisto: Infmedia S.r.l. e-mail: info@infmedia.it pagina web: www.infmedia.it)

Semiconduttori 1950 2000

Le applicazioni dei semiconduttori Le particolari proprietà fisiche dei semiconduttori li rendono adatti alla fabbricazione di vari dispositivi, quali: Diodi, transistor, circuiti integrati. Fotorivelatori. Laser (p.es. GaAs-AlGaAs) Sensori (di pressione, campo magnetico, ecc.) Termometri(Ge, Si, GaAs, ecc.) Celle fotovoltaiche(Si, GaAs, ecc.).

Che cosa facciamo? Qual è la nostra ricerca? Gruppo Semiconduttori Settore di Fisica della Materia Dipartimento di Fisica Università di Bologna www.df.unibo.it/semiconductors

Silicio Ex: applicazioni in microelettronica Il lingotto I wafer I dispositivi Il lingotto Le fette Le celle solari Celle solari trasparenti realizzate con film Si multicristallino http://www.sunways.de/en/press/pictures/products/prosp_zelle2a.php Ex: applicazioni fotovoltaiche

Sviluppo e implementazione di metodiche diagnostiche in-line per l’industria fotovoltaica FAST-IQ Progetto finanziato da UE (V PQ) Collaborazioni industriali: RWE Scott- Solar (Germany 800 Staff, 220 M€ in 2004, in 2005 130MW potenza) Photowatt (France, 350 Staff, 25MW potenza in 2004) La centrale fotovoltaica di Serre è la più grande d'Europa ed ha una potenza superiore ai 3 Mw

Analisi di danno indotto da radiazioni ionizzanti (raggi X) in rivelatori per applicazioni spaziali e elettromedicali Rivelatori di radiazione di nuova generazione (CZT) ottime prestazioni a temperatura ambiente e in formato compatto Applicazioni spaziali, mediche, di sicurezza ambientale e anti-terrorismo Collaborazione con EURORAD Strasbourg (FR), IASF e CEA Saclay(FR)

Materiali Organici Economiche, facili da produrre Celle solari flessibili a polimeri Televisore a OLED Tastiera a OLED

Emissione di luce dal Si Progetti INFM Si-Er Progetto STREP NANOPHOTO UE (VI PQ), Progetto INTAS-CERN (UE, VPQ) Collaborazione industriale: Microsharp Corporation Limited (MCL) (UK) (innovative light management technology for flat panel displays). Work in progress…

Ai fisici piace porsi delle domande e trovare soluzioni a ogni problema Finche’ in Natura ci sara’ qualcosa da capire, ci sara’ anche un fisico che cerchera’ di dare delle risposte Per far questo il fisico, possiede una solida formazione di base ed una grande versatilita’, doti che lo rendono particolarmente “prezioso” nel mondo del lavoro in svariati settori

Dove vanno i nostri laureati? RT=ricerca temporanea (borse, assegno, dottorato) RI =ricerca c/o università o altri enti di ricerca a tempo indeterminato RE = ricercatori estero SW=software PMI=piccola media impresa GI=grande impresa H= ospedale EcoFin= Economia e finanza Ins= insegnamento 37 laureati negli ultimi 10 anni

Dove in particolare? Industria: Ricerca: Economia e finanza PMI piccola media impresa del territorio (regione E-R), spin-off, settore bio-medicale, sensoristica, enti spaziali (ESA) GI grande impresa (es ST-microelectronics, sedi: CT e MI) Ricerca: enti di ricerca italiani: INFM-CNR, ENEA, Università straniere Economia e finanza banche, master in marketing,..

Diagramma a bande: Funzione di Fermi-Dirac Probabilità di trovare un elettrone ad un certo valore di energia.  Funzione a gradino “arrotondata” all’aumento di T. Per E<EF stati pieni, per E>EF stati vuoti Dipendenza dalla temperatura