Struttura dei cristalli e celle elementari

Introduzione al Corso di Microelettronica

• Il corso è parte del Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica.
• Il docente è Vincenzo d'Alessandro.
• Il corso si concentra sulla fisica dei semiconduttori.

Materiali Didattici

• Le diapositive delle lezioni sono disponibili nel materiale del corso.
• I testi di riferimento includono:
  • Physics of Semiconductor Devices di S.M. Sze (2a edizione, 1981).
  • Semiconductor Device Fundamentals di R.F. Pierret (1996).
  • Dispositivi e Tecnologie Elettroniche di F. Bonani, S. Donati Guerrieri, G. Masera, G. Piccinini (2007).

Come Contattare il Docente

• Indirizzo e-mail: [email protected]
• Numero di telefono: 081-7683509
• Ricevimento su appuntamento da richiedere via email o tramite la piattaforma Microsoft Teams.
• L'ufficio è al secondo piano dell'Edificio 2, stanza 2.16, nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell'Informazione (DIETI), complesso di via Claudio 21.

Programma del Corso

• Il programma è suddiviso in macroaree:
  • Macroarea 1: Fisica dei semiconduttori.
  • Macroarea 2: Fenomeni di trasporto e generazione-ricombinazione.
  • Macroarea 3: Giunzione P-N, Transistore bipolare, Struttura MOS ed il Transistore MOS (2-D), Tecnologie bipolari avanzate.

Modalità d'Esame

• L'esame è orale.
• È composto da 3 domande, una per ogni macroarea.
• Un risultato negativo in una prova non preclude la possibilità di sostenere la prova successiva.
• Si prega di segnalare eventuali errori (compresi quelli di battitura) nelle diapositive via email.

Fisica dei semiconduttori

• La conducibilità elettrica (σ) e la resistività (p) quantificano la capacità di un materiale di condurre corrente.
• I conduttori hanno bassa resistività (p), gli isolanti alta resistività (p).
• I semiconduttori hanno valori intermedi di resistività (p) e la loro resistività può essere modificata.
• Esempi di semiconduttori: silicio (Si), germanio (Ge), arseniuro di gallio (GaAs), ecc.

Semiconduttori Semplici e Composti

• Silicio e germanio sono semiconduttori semplici.
• Altri semiconduttori composti includono arseniuro di gallio (GaAs), carburo di silicio (SiC), nitruro di gallio (GaN), seleniuro di cadmio (CdSe).

Semiconduttori Intrinseci ed Estrinseci

• Un semiconduttore intrinseco è puro, non drogato.
• Un semiconduttore estrinseco contiene impurità (drogante).
• Il silicio intrinseco ha una resistività relativamente alta a temperatura ambiente (300K).
• L'arseniuro di gallio intrinseco ha una resistività ancora maggiore.

Silicio e Germanio

• Silicio e germanio appartengono alla IV colonna della Tavola Periodica degli Elementi.
• Sono tetravalenti, con 4 elettroni di valenza.
• Formano legami covalenti con altri atomi del reticolo.

Struttura Reticolare

• I materiali possono essere monocristallini, policristallini o amorfi.
• I materiali monocristallini sono caratterizzati da una disposizione ordinata degli atomi, ripetitiva in tre dimensioni.
• La struttura del reticolo influisce sulla conducibilità dei materiali.

Reticolo Cubico

• Un reticolo cristallino si dice cubico quando la cella elementare è cubica.
• Il polonio ha una struttura reticolare cubica semplice.
• Altri semiconduttori come sodio e tungsteno hanno una struttura reticolare cubica centrata nel corpo.

Reticolo Cubico del Diamante

• Silicio e germanio hanno una struttura reticolare cubica del diamante.
• Questa struttura è ottenuta attraverso una traslazione di un'altra cella elementare.
• Il numero di atomi nella cella elementare del silicio o germanio è di 8.

Semiconduttori Composti

• I semiconduttori composti sono formati da due o più elementi.
• Gli esempi includono il seleniuro di cadmio, l'arseniuro di gallio, e il carburo di silicio.
• In questi materiali, ogni atomo raggiunge una configurazione stabile (ottetto).

Leadership del Silicio

• Il silicio è abbondante nella crosta terrestre.
• Il silicio forma facilmente uno strato superficiale di biossido di silicio (SiO2), utile per processi di fabbricazione dei circuiti.
• Il silicio è standardizzato per rendere i processi di produzione efficienti.
• Il silicio è il materiale semiconduttore di gran lunga più utilizzato.

Indici di Miller

• Un sistema di indicizzazione per definire piani e direzioni in un cristallo.
• Il metodo implica l'intercetta dei piani con gli assi.
• I reciproci delle intercette vengono moltiplicati per il minimo comune denominatore per ottenere gli indici.

Esercizio

• Un esempio di applicazione degli indici di Miller che richiede di identificare il piano dato in figura.