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Interazione tra fotoni ed Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttorielettroni nei semiconduttori
D. Cavalcoli*, A. Cavallini, B. Fraboni
M.Canino, F. Fabbri, L. Rigutti, M.Rossi
Università di Bologna,
Dipartimento di Fisica, Gruppo semiconduttori
Corso-Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
http://www.df.unibo.it/semiconductors
Motivazioni
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
Comportamento di elettroni e fotoni in semiconduttori
Proprietà ottiche ed elettriche del materiale
Principi di funzionamento di dispositivi optoelettronici
Argomenti• Corso:
1. Interazione radiazione-materia nei semiconduttori
2. Proprietà ottiche ed elettriche dei semiconduttori
3. Disposivi a semiconduttore, principi di funzionamento
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
Equazioni di Maxwell nella materia, definizione dei proprietà elettriche e ottiche (Modello macroscopico e microscopico).
celle solari fotovoltaich
e, LED, LASER
• Laboratori: 1. Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un
semiconduttore per applicazioni sensoristiche. 2. Misura delle proprietà ottiche di semiconduttori elementari e
composti. 3. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori.
I seminari (insegnanti):I seminari (insegnanti):Verranno illustrate le ricerche attive nel Gruppo Verranno illustrate le ricerche attive nel Gruppo Semiconduttori, nel dettaglio lo studio delle proprietà Semiconduttori, nel dettaglio lo studio delle proprietà elettriche e ottiche, di proprietà morfologiche e elettriche e ottiche, di proprietà morfologiche e strutturali con metodiche microscopiche, lo studio di strutturali con metodiche microscopiche, lo studio di dispositivi e dei meccanismi di danno.dispositivi e dei meccanismi di danno.
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
I LABORATORII LABORATORI
1. Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni
sensoristiche (Tecnica TLM).
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
La misura che verrà eseguita è una caratterizzazione TLM (Transmission Line Method) che permette di estrarre parametri elettrici del campione (film sottili di SiC, carburo di silicio, utilizzati per sensori di pressione e sistemi micro- e nano-elettromeccanici)
GF = (1/) R/R
GF (3C-SiC) [3-32]GF (3C-SiC) [3-32]
Il principio di funzionamento dei sensori di pressione si basa sull’effetto piezoresistivo, ossia la variazione di resistività di un materiale sottoposto ad una deformazione. L’entità della variazione è determinata dal GF.
RRbulkbulkRRcc RRcc
WW
tt
ll ddww
Rtotal = 2Rc+ [ / (w t)] l
A
V I vs V slope = 1 / Rtotal
1. Tecnica TLM1. Tecnica TLMCorso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
RRtotal total = 2R= 2Rcc+ + [[/ (w t)/ (w t)]] l l
slope / (w t)
2Rc
ll
RRtotaltotal
1. Tecnica TLM: estrazione dei parametri elettrici1. Tecnica TLM: estrazione dei parametri elettriciCorso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
2. Misura delle proprietà ottiche di semiconduttori elementari e composti
(ottiche)
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
Misure di trasmissione ed assorbimento della luce da parte di materiali semiconduttori e/o di dispositivi basati su tali materiali.
Un fotone di energia maggiore o uguale al gap tra banda di valenza e banda di conduzione puo` produrre transizioni di elettroni da banda di valenza a banda di conduzione. Nella transizione il fotone viene assorbito.
Un fotone di energia minore del gap tra banda di valenza e banda di conduzione non può produrre transizioni e viene trasmesso.
Gli elettroni promossi in banda di conduzione aumentano la conducibilità del materiale (fotoconducibilità)
2.Ottiche. Principio dell’effetto fotoelettrico interno
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
h>Egap h<Egap
Luce bianca
Illuminazione con fotoni di energia superioresuperiore al gap h>Egap (<hc/Egap)
Luce monocromatica
La luce non viene trasmessa dal campione
Segnale basso del sensore piroelettrico
Vengono generati portatori liberi di carica: segnale alto del sensore di fotoconducibilità
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
2.Ottiche. Principio della misura
Luce bianca
Illuminazione con fotoni di energia inferiore inferiore al gap h<Egap (>hc/Egap)
Luce monocromatica
La luce viene trasmessa dal campione
Segnale alto del sensore piroelettrico
Non vengono generati portatori liberi di carica: segnale basso del sensore di fotoconducibilità
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2.Ottiche. Principio della misura
2. Ottiche. Dettaglio degli strumenti.
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ReticoloLampada
3. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori.
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
Misura di (funzione sia della densità degli elettroni n che della loro mobilità ) vs T
metalli e semiconduttori T: 80K - 450K.
=1/= q n
3. Elettriche. Risultati.Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
METALLI n costante con T, varia perché varia laR cresce con T : R ≈Ro(1+βt), Ro R(0), e β=δR/(Roδt) coefficiente di temperatura del metallo.
=1/= q n
estrinseco n da drogante, da
intrinsecoSEMICONDUTTORI Sia n che variano con T. Due processi: estrinseco (basse T) se n dal drogante, intrinseco (alte T) n dai portatori intrinseci.
Ad alte T ni crescono secondo la legge ni= cost exp[-Eg/(2kT)], ln(R) vs. 1/T e' una retta di pendenza Eg/(2k): dalla pendenza della retta si ottiene il valore del gap energetico del Ge estrapolato a T=0K ovvero Eg(0)=0.78 eV
Fine
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
Tempi/modalità
• Progetto A: Corso-laboratorio per gli studenti Progetto A: Corso-laboratorio per gli studenti – 2 pomeriggi di 4 ore ciascuno di lezioni frontali – 3 pomeriggi di 4 ore ciascuno di laboratorio (Marzo-
Aprile) Max 15 studenti per 3 laboratori, 5 per laboratorio, a turno.
• Progetto B: Corso-laboratorio per gli insegnantiProgetto B: Corso-laboratorio per gli insegnanti– 2 pomeriggi di 2-3 ore ciascuno (seminari sull’attività di
ricerca), – 3 pomeriggi di di laboratorio: progettazione esperimenti
e preparazione di materiale multimediale. (Gennaio) Max 5 docenti,
– (dobbiamo già definire le date?)
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
Le lezioni/i seminari
Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO
Le lezioni (studenti):Interazione radiazione materia, equazioni di Maxwell nella materia, definizione dei parametri elettrici (resistività, conducibilità, costante dielettrica,..). Proprietà ottiche, modello macroscopico. Definizione parametri ottici: riflettanza, trasmittanza, assorbanza...Modello macroscopico e microscopico. Alcune applicazioni: dispositivi optoelettronici (celle solari fotovoltaiche, LED, LASER).
I seminari (insegnanti):Verranno illustrate le ricerche attive nel Gruppo Semiconduttori, nel dettaglio lo studio delle proprietà elettriche e ottiche, di proprietà morfologiche e strutturali con metodiche microscopiche, lo studio di dispositivi e dei meccanismi di danno
Resistività di contatto Resistività di contatto
J = i / Adensità di corrente
Corrente (Corrente (ii))
Area (A)Area (A)
c = (J/V)-1 [ cm2]
resistività di contatto
Processo di realizzazione dei sensori Processo di realizzazione dei sensori di pressione (2)di pressione (2)
compressioneestensione
Piezoresistività in 3C-SiC
GF = (1/) R/RGF (3C-SiC) [3-32]GF (3C-SiC) [3-32]
dipende dalla qualità e dall’orientazione
cristallografica del campione
----- dimuisce all’aumentare
del doping-----
appare costante alle variazioni di T°
• J.S. Shor et al., IEEE Trans. on Electr. Devices 40 n°6, 1093 (1993)• J.Strass et al., Proc. Transducers 97, Chicago• Y. Onuma et al., Springer Proc. In Physics 34, 142 (1987)