Obiettivi Formativi

L'obiettivo del corso è quello di fornire gli elementi di fisica della materia di base ai corsi di elettronica. In particolare si fornisce allo studente le nozioni di base della fisica della materia allo stato condensato e dell'interazione radiazione-materia, utilizzando gli strumenti della meccanica quantistica e della fisica statistica. Descrittori di Dublino Conoscenza e capacità di comprensione: conoscenza e comprensione delle tematiche affrontate. Capacità di comprendere la soluzione di problemi di grande importanza concettuale proposti nelle lezioni frontali Conoscenza e capacità di comprensione applicate: capacità di applicare correttamente le conoscenze acquisite e risolvere problemi elementari. Autonomia di giudizio: porre corrette domande, individuare problemi, proporre risposte adeguate. Abilità comunicative: capacità di comunicare le conoscenze acquisite in modo chiaro, esaustivo, con rigore logico e con adeguata appropriatezza espressiva nel caso di comunicazione non tecnica, con interlocutori non esperti del settore. Capacità dapprendimento: capacità di sviluppare un metodo critico nello studio della materia e nella soluzione di problemi complessi. Capacità di approfondire le conoscenze attraverso la consultazione di varie fonti al fine di migliorare la comprensione della materia e riuscire a individuare i collegamenti tra gli argomenti del corso e argomenti trattati in corsi precedenti. Le linee guida dellapprendimento sono fornite tramite slide e appunti forniti dal docente.

Learning Goals

Primary objective of this course is to provide basic concepts of matter physics to courses electronics. In particular, provide students with the fundamental concepts of condendes matter physics and the phenomenology of the interaction between radiation and matter by means of quantum mechanics and statistical physics. Dublin descriptors Knowledge and understanding: knowledge and understanding of the issues addressed. Ability to understand the solution of problems of great conceptual importance proposed in the lectures. Applied knowledge and understanding: ability to correctly apply the acquired knowledge and solve elementary problems. Autonomy of judgment: ask correct questions, identify problems, propose appropriate answers. Communication skills: ability to communicate the acquired knowledge in a clear, exhaustive manner, with logical rigor and with appropriate expressive appropriateness in the case of non-technical communication, with interlocutors who are not experts in the sector. Learning skills: ability to develop a critical method in the study of the subject and in the solution of complex problems. Ability to deepen knowledge by consulting various sources in order to improve understanding of the subject and be able to identify the links between the topics of the course and topics covered in previous courses. The learning guidelines are provided by slides and notes provided by the teacher.

Metodi didattici

Il corso si svolge nel primo periodo didattico e comprende lezioni frontali con esercitazioni in aula (per un totale di 6 CFU= 48 h) . Le lezioni saranno svolte alla lavagna, con il supporto di slides e video. Le trasparenze verranno distribuite in anticipo.

Teaching Methods

The course takes place in the first teaching period. The lessons will be contact hours with theoretical explanation and exercises (for a total of 6 CFU = 48 h) The lecture will be held on the blackboard and are supplemented by video projection and slides. The slides will be distributed in advance.

Prerequisiti

Conoscenza degli elementi fondamentali di Analisi Matematica, Fisica generale e Chimica.

Prerequisites

Knowledge of the fundamentals of Mathematics, general-Physics and Chemistry.

Verifiche dell'apprendimento

Verifiche in itinere facoltative con domande a risposta aperta, quiz a risposta multipla ed esercizi inerenti gli argomenti del corso. Esame orale finale su argomenti trattati nelle lezioni frontali. L'obiettivo delle verifiche in itinere consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati. L'esame orale è finalizzato ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici della Fisica della Materia; la capacità di collegare e confrontare argomenti diversi trattati nelle lezioni frontali; l'abilità nella comprensione di testi più avanzati su argomenti trattati nelle lezioni frontali, la capacità di risolvere problemi elementari su argomenti trattati nelle lezioni frontali; la chiarezza espositiva e lutilizzo di un linguaggio con terminologia appropriata. La valutazione viene espressa in trentesimi con eventuale lode

Assessment

Optional ongoing checks (partial with open-end questions, multiple-choice questions and exercises related to the course topics. Final oral exam on topics covered in the lectures The aim of the in itinere test is to verify the level of achievement of learning objectives previously indicated The oral exam is aimed at ascertaining the level of knowledge and understanding achieved by the student on the theoretical and methodological contents of the Physics of Matter; the ability to connect and compare different topics covered in frontal lessons; the ability to understand more advanced texts on topics covered in lectures, the ability to solve elementary problems on topics covered in lectures; clarity of exposition and use of a language with appropriate terminology. The evaluation is expressed in thirtieths with possible praise

Programma del Corso

UDA N.1 : Natura atomica della materia. L'elettrone. Corpo nero. Effetto fotoelettrico. Raggi X ed effetto Compton. Atomo e suo nucleo. Modello di Bohr dell'atomo di idrogeno. Esperimento di Stern-Gerlach: lo spin. L'ipotesi di De Broglie. UDA N.2: Funzione donda. Principio di sovrapposizione. Funzioni donda per particelle con quantità di moto definita. Il principio di indeterminazione di Heisenberg. Lequazione di Schrödinger dipendente dal tempo. Condizioni di continuità. Conservazione della probabilità. Conservazione della probabilità ed Hermiticità della Hamiltoniana. Densità di corrente di probabilità. Valori di aspettazione. Operatori. Commutatori. Variazione temporale dei valori di aspettazione. Equazione di Schrödinger indipendente dal tempo. Stati stazionari. Metodi approssimati di soluzione dellequazione di Schrödinger: perturbazioni indipendenti dal tempo, perturbazioni dipendenti dal tempo. Probabilità di transizione. Emissione ed assorbimento di radiazione. Approssimazione di dipolo. Emissione spontanea. Regole di selezione. Esempi di descrizione quantistica di problemi ad una dimensione: la particella libera, il potenziale a gradino, la barriera di potenziale e l'effetto tunnel, la buca di potenziale rettangolare infinita, la buca di potenziale rettangolare di profondità finita. Forze centrali e l' atomo di idrogeno. Il momento angolare. UDA N.3 : L'oscillatore armonico. Fotoni e fononi. I sistemi a due corpi. Potenziali centrali e l' atomo di idrogeno. Legami. Legame ionico, metallico, covalente, di van der Walls. Metodo di Feynman dei modi accoppiati. UDA N.4 : Particelle identiche. Bosoni e Fermioni. La funzione di distribuzione e la densità degli stati. Le distribuzioni di Maxwell-Boltzmann, di Fermi-Dirac, di Bose. UDA N.5 : Particella libera e densità degli stati. Densità degli stati per un sistema a tre dimensioni. Densità degli stati in sistemi a dimensionalità ridotta. Particella in un potenziale periodico. Teorema di Bloch. Materiali cristallini. Periodicità di un cristallo. Reticolo di Bravais. UDA N.6: Materiali cristallini. Reticoli di Bravais. Tipi di reticoli. Struttura del diamante e della zincoblenda. Struttura esagonale compatta. Notazione per indicare piani e punti di un reticolo: indici di Miller. Strutture artificiali: superreticoli e pozzi quantici. Cella di Wigner-Seitz. Reticolo reciproco. Zona di Brillouin. Diffrazione e legge di Bragg. UDA N.7 : La teoria a bande dei solidi: il modello di Feynman. Modello di Krönig e Penney. Significato del vettore k. Massa efficace. Il numero effettivo di elettroni liberi di condurre. Il numero di stati possibili per banda. Metalli e isolanti. Lacune. UDA N.8 : Strutture a bande di alcuni materiali. Semiconduttori a gap diretto ed a gap indiretto. Masse efficaci in questi materiali. Leghe di semiconduttori. UDA N.9 : Elettroni nei metalli. Trasporto nei metalli. Semiconduttori. Loro definizione e classificazione. Semiconduttori intrinseci. Concentrazione di cariche nei semiconduttori intrinseci. Posizione del livello di Fermi nei semiconduttori intrinseci e sua dipendenza dalla temperatura. Semiconduttori estrinseci. Drogaggio. Evoluzione con la temperatura della concentrazione dei portatori di carica e posizione del livello di Fermi in un semiconduttore estrinseco. UDA N.10 : Trasporto. Relazione velocità-campo elettrico nei semiconduttori. Trasporto in campi intensi: fenomeni di rottura. Trasporto di cariche per diffusione. Densità di corrente totale. Giunzione p-n non polarizzata e polarizzata. Il diodo reale. Effetti di alto voltaggio nei diodi. Risposta ac del diodo p-n. Il diodo a barriera Schottky. Eterostrutture di semiconduttori e giunzioni ad eterostrutture. Pozzi quantici, fili e punti quantici.

Course Syllabus

UNIT No.1 The atomic nature of matter. The electron. Black-body radiation. The photoelectric effect. X-rays and Compton effect. Atom and its nucleus. The Bohr model of the hydrogen atom. Stern-Gerlach experiment: spin. De Broglie's hypothesis. UNIT No.2 The wave function. The principle of superposition. Wave functions for particles with momentum defined. The uncertainty principle of Heisenberg. The time-dependent Schrödinger equation. Continuity conditions. Conservation of probability. Conservation of probability and Hermiticity of the Hamiltonian. Current density of probability. Expectation values. Operators. Commutators. Temporal variation of the expectation values. Time-independent Schrödinger equation. Stationary states. Time-independent perturbations. Time-dependent perturbation. The transition probabilities. Emission and absorption of radiation. Dipole approximation. Spontaneous emission. Selection rules. Examples of quantum description of one-dimensional problems: the free particle, the potential step, the potential barrier and the tunnel effect, the infinite rectangular potential well, the rectangular potential well of finite depth. Central forces and the hydrogen atom. The angular momentum. UNIT No. 3 The harmonic oscillator. Photons and phonons. The two-body systems. Potential central and the hydrogen atom. Bonds. Ionic, metallic, covalent, van der Walls bonds. Feynman method of coupled modes. UNIT No. 4 Identical particles. Bosons and Fermions. The distribution function and the density of states. The Maxwell-Boltzmann distribution. The Fermi-Dirac distribution. The distribution of Bose. UNIT No. 5 Free particle and the density of states. Density of states for a system in three dimensions. Density of states in low dimensional systems. Particle in a periodic potential. Bloch theorem. Crystalline materials. Periodicity of a crystal. Bravais lattice. UNIT No. 6 Crystalline materials. Bravais lattices. Types of lattices. Structure of diamond and zincoblend. Compact hexagonal structure. Miller indices. Artificial structures: superlattices and quantum wells. Wigner-Seitz cell. Reciprocal lattice. Brillouin zone. Diffraction and Bragg's law. UNIT No. 7 The band theory of solids: the model of Feynman. The model of Krönig and Penney. Meaning of the vector k. Effective mass. The actual number of electrons "free" to conduct. The number of possible states for each band. Metals and insulators. Gaps. UNIT No. 8 Band structures of some materials. Semiconductor gap direct and indirect gap. Effective masses in these materials. The band structure for semiconductor alloys. UNIT No. 9 Electrons in metals. Transport in metals. Semiconductors. Their definition and classification. Semiconductors. Concentration of charges in semiconductors. Position of the Fermi level in intrinsic semiconductor and its temperature dependence. Extrinsic semiconductors. Doping. With the temperature evolution of the concentration of charge carriers and position of the Fermi level in a semiconductor extrinsic. UNIT No. 10 Transport. Relation speed-electric field in semiconductors. Transport in intense fields: breaking phenomena. Charge transport by diffusion. Total current density. p-n junction: not polarized and polarized. The diode: consequences of defects. Effects of high-voltage diodes. Ac response of p-n diode. Heterojunctions: the Schottky barrier diode. Semiconductor heterostructures and junctions heterostructures. Quantum wells, wires and quantum dots.