1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Introduzione Corso di Laurea in Informatica Tecniche di Acquisizione Dati 1 Corso di Tecniche.

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1 1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Introduzione Corso di Laurea in Informatica Tecniche di Acquisizione Dati 1 Corso di Tecniche di Acquisizione Dati 1 Docente: Leonello Servoli c/o: Dipartimento di Fisica E-Mail: leonello.servoli@pg.infn.it Sito web: http://cms.pg.infn.it/servoli Tel. 075-5852706

2 2 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Libri e Orari Libro: Microelettronica; J. Millman, A.Grabel (Mc Graw Hill) Dispense TAD 1: Microncontrollori (Prof. Verdini) Linguaggio C: C programming: a modern approach C programming: a modern approach di K.N. King, W. W. Norton & Company nel 1996. ( qualunque altro volume di programmazione C ) ( qualunque altro volume di programmazione C ) Dispositivi a Semiconduttore Elettronica Integrata Digitale - Consultazione: Dispositivi a Semiconduttore; S.M. Sze Biblioteca Scientifica Hoepli Elettronica Integrata Digitale; E. Taub, D. Schilling (Gruppo Editoriale Jackson) Libri di testo e di consultazione

3 3 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Contenuti del Corso Crediti: 6; Ore: teoria: 38; pratica:10; Obiettivi: 1) Familiarizzare gli studenti con il concetto di sensore, di acquisizione del segnale analogico, di digitizzazione del segnale. 2) Familiarizzare gli studenti con la programmazione in C di sistemi embedded, basati su microcontrollori della famiglia MCS-51 e MCS-52.

4 4 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Contenuti del Corso (1) Diodi e Transistor Circuiti integrati Realizzazione di dispositivi logici Conversione Analogico-Digitale Dispositivi optoelettronici, trasduttori Semplici esperienze Laboratorio

5 5 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Contenuti del Corso (2) Implementazione durante il corso del protocollo I2C e di un rudimentale sistema operativo per i microcontrollori. Sviluppare una o più applicazioni dimostrative basate sui prodotti software precedentemente sviluppati. Programmazione di microcontrollori della famiglia MCS-51 in linguaggio C.

6 6 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Informazioni varie sul corso Durante il corso si svolgeranno esperienze di laboratorio con relazioni finali (obbligatorie). Gli esami consistono in un colloquio e in una discussione delle relazioni. Lorario di ricevimento ufficiale è: Lunedì dalle 14 alle 15. Oppure su appuntamento.

7 7 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Orari (Dip. Fisica): Lunedì 15-18 Lab. DAQ Martedì 9-11 Lab. DAQ Giovedì 9-11 Lab. DAQ

8 8 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Modello Atomo Idrogeno Protone Elettrone Quantizzazione delle orbite solo alcune orbite sono permesse; Principio di esclusione del Pauli: solo due elettroni per ogni orbita; Energia di legame: energia da somministrare allelettrone per separarlo dal nucleo; Le orbite sono ordinabili, rispetto alla energia di legame decrescente, secondo la seguente serie: (1s), (2s,2p),(3s,3p,3d), etc…. (1 orbita di tipo s, 3 orbite di tipo p, 5 di tipo d, etc.) R = 0.529 x 10 -10 m = 0.0529 nm

9 9 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Orbitali (1) In realtà piuttosto che di orbite si parla di orbitali, intendendo con tale termine la distribuzione in 3 dimensioni della probabilità di trovare lelettrone in quel particolare punto.

10 10 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Orbitali (2) s p d

11 11 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Orbitali (3) Un sistema atomico è tanto più stabile quanto più il livello più esterno degli elettroni è completo. Per i primi livelli: Livello 1: 2 (1 orbitale s x 2 elettroni) Livello 2: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni) Livello 3: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni) Livello 4: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni) Livello 5: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni) Livello 6: 32 (1 orbitale s + 3 p + 5 d + 7 f x 2 elettroni)

12 12 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Tabella Periodica Silicio Germanio Tetravalenti Monovalenti Gas Nobili Carbonio

13 13 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Configurazione elettronica Carbonio

14 14 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Configurazione elettronica Silicio

15 15 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Configurazione elettronica Germanio

16 16 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Ibridazione degli orbitali s+p 2 sp = +

17 17 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Ibridazione degli orbitali s+2p 3 sp 2

18 18 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Ibridazione degli orbitali s+3p 4 sp 3

19 19 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legami tra atomi (1) Una molecola è la più piccola unità di un materiale che mantiene le proprie caratteristiche chimiche. Es. Acqua: H 2 O, Ossigeno: O 2, Helio: He; Una molecola è formata da uno o più atomi, anche di diverse specie, tenuti assieme dai legami atomici.

20 20 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legami tra atomi (2) Gli atomi si legano poiché tendono ad assumere uno stato il più stabile possibile, dal punto di vista energetico; tale obiettivo si ottiene in genere condividendo gli elettroni degli orbitali più esterni.

21 21 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legami tra atomi (3) Ci sono vari tipi di legami atomici: Legame polare Legame covalente Legame metallico

22 22 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legame Polare NaClNa + Cl - Nel legame polare un elettrone viene completamente ceduto allaltro atomo e si formano due ioni che si attraggono perché aventi cariche opposte. Mancanza di un elettrone nellorbitale esterno Presenza di un elettrone

23 23 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legame Covalente (1) O O O O + Nel legame covalente gli elettroni vengono messi in comune tra i due atomi pariteticamente. Elettroni in comune

24 24 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legame Covalente (2) s+ss+p p+p :

25 25 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legame Metallico Nel legame metallico gli elettroni vengono messi in comune tra tutti gli atomi pariteticamente.

26 26 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Struttura della Materia (1) La materia si organizza in diversi modi: forma gassosa: ogni molecola è essenzialmente indipendente dalle altre (es. gas, vapori) forma liquida: ogni molecola è legata debolmente alle altre (scarsa resistenza a forze esterne) forma solida: ogni molecola è fortemente legata alle altre circostanti, definendo strutture permanenti.

27 27 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Struttura della Materia (2) I solidi si dividono a loro volta in Corpi amorfi: non aventi una struttura di base che si ripete regolarmente, es. vetro. Cristalli: aventi una struttura di base (cella unitaria) che si ripete regolarmente, es. silicio. Linsieme delle celle è chiamato il reticolo cristallino. La distanza tra atomi adiacenti del reticolo è detta: costante reticolare o spaziatura interatomica

28 28 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Struttura cristallina del diamante (ibrido sp 3 ) Distanza interatomica o passo del reticolo

29 29 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Legame tetraedrico

30 30 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Bande di energia Es. livello 1s atomo di idrogeno = -13,6 eV = -21,76 x 10 -19 Joule Quando ci sono molti atomi distanti i livelli di energia sono gli stessi; se gli atomi si avvicinano e quindi interagiscono, i livelli di energia tendono a differenziarsi di poco luno dallaltro. Per una struttura cristallina con N atomi, avremo N livelli inizialmente sovrapposti che si separano leggermente al diminuire della distanza Interatomica. (N=10 23 ) Ad ogni orbitale è associata una energia di legame.

31 31 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Bande di valenza (1) Livello valenza Livello ionizzazione N A = 10 23

32 32 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Livello valenza Livello ionizzazione N A = 10 23

33 33 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Banda Proibita Livello valenza Livello ionizzazione N A = 10 23

34 34 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Bande di valenza (2) Isolante Semiconduttore Conduttore BANDA DI VALENZA OCCUPATA BANDA DI CONDUZIONE VUOTA E g ~ 1 eV E g ~ 9 eV