Obiettivi Formativi

Fornire conoscenze di base ed avanzate sul funzionamento dei principali dispositivi optoelettronici a stato solido, quali LED, strutture ad  eterogiunzione III-V, laser, fotorivelatori, fibre ottiche. Sviluppare  competenze sull'utilizzo del CAD e della strumentazione per la caratterizzazione di dispositivi e sistemi optoelettronici. Sviluppare le competenze necessarie per la valutazione delle prestazioni di componenti e sistemi optoelettronici. Sviluppo  di un adeguato grado di autonomia di giudizio nella scelta e l'individuazione di componenti e sistemi optoelettronici per applicazioni in ambito industriale. Sviluppo della capacità di comunicare efficacemente e con linguaggio tecnico adeguato per un'interazione proficua nell’ambito di un gruppo di lavoro. Sviluppo della capacità di aggiornamento sull’evoluzione scientifica e tecnologica nel settore dell’optoelettronica e le relative applicazioni in ambito industriale.

Learning Goals

To provide basic and advanced knowledge of the operating principles of the main optoelectronic devices like LED, III-V heterojunction structures, laser, photodetectors, and optical fibers; to develop skills in using CAD and instrumentation for the characterization of optoelectronic devices and systems. Development of skills concerning CAD tools and instrumentation for the characterization of optoelectronics devices and systems. Development of an adequate autonomy of judgements about the evaluation of the performance of optoelectronics devices and systems. Development of the communication skills to interact efficiently within a working group by employing a sound technical language. Development of learning skills in updating knowledge of the scientific and technological progress in the optoelectronics field and the relevant applications in an industrial environment.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali. Sono inoltre previste esercitazioni guidate svolte dagli studenti, con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Tutte le attività sono svolte con supporto di slide delle lezioni.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, mainly takes place through lectures. There are also guided exercises with teacher support, with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. All activities are carried out with the support of lecture slides.

Prerequisiti

Conoscenze di fisica (principali proprietà fisiche dei materiali semiconduttori), elettromagnetismo (proprietà generali dei campi elettromagnetici e modalità di propagazione delle onde elettromagnetiche) ed elettronica (grandezze elettriche fondamentali e principi di base del funzionamento di dispositivi elettronici).

Prerequisites

Knowledge of physics (fundamental physical properties of semiconductor materials), electromagnetism (general properties of the electromagnetic fields and propagation of the electromagnetic waves), and electronics (fundamental electrical quantities and basic principles of operation of electronic devices).

Verifiche dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta, seguita dalla prova orale. Durante la prova scritta si chiede di eseguire lo svolgimento completo di dieci esercizi in forma di domande a risposta multipla, domande a risposta aperta, ed esercizi numerici. Gli argomenti e il livello di difficoltà degli esercizi corrispondono al programma svolto e ai testi di riferimento indicati. Il tempo assegnato per la prova scritta è di due ore. La valutazione della prova scritta è fatta in trentesimi. La prova scritta si ritiene superata se la valutazione complessiva non è inferiore a 15/30. Superata la prova scritta, essa ha validità per tutto l’anno accademico entro il quale dovrà essere sostenuta la prova orale. La prova orale è incentrata sugli argomenti trattati durante il corso, a partire da una discussione critica della prova scritta. Essa ha il duplice scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso e di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento, l'abilità comunicativa e proprietà di linguaggio scientifico e indi valutare le facoltà logico-deduttive acquisite dallo studente. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della valutazione ottenuta durante la prova scritta e durante la prova orale. Durante lo svolgimento del corso sono previste due prove scritte in itinere. Lo studente che supera le prove in itinere è esonerato dalla prova scritta e può direttamente sostenere la prova orale. Le prove in itinere sono relative agli argomenti trattati durante il corso e si tengono rispettivamente a metà ed alla fine del corso (in date che vengono concordate durante le lezioni con gli studenti). A ciascuna prova si assegna una valutazione in trentesimi. La prova scritta è superata se la media delle due prove di verifica è pari o maggiore a 15/30. Durante le prove scritte è possibile utilizzare una calcolatrice. Maggiori dettagli sulle modalità di svolgimento delle prove di esame sono reperibili alla pagina Moodle del corso.

Assessment

The exam consists of a written test followed by an oral test. During the written test, students are asked to perform the complete development of ten exercises in the form of multiple choice questions, open-ended questions, and numerical exercises. The topics and the level of the exercises correspond to the program delivered and to the reference texts indicated. The time allotted for the written test is two hours. The evaluation of the written test is scored out of thirty. The written test is considered passed if the overall evaluation is not less than 15/30. Once the written test has been passed, it is valid for the entire academic year within which the oral exam must be taken. The oral exam focuses on the topics covered during the course, using as a starting point the discussion of the written exam. It has the dual purpose of verifying the level of knowledge and understanding of the course contents and to evaluate the autonomy of judgment, the learning ability, the communicative ability and properties of scientific language and then evaluate the logical-deductive faculties acquired by the student. The final grade is expressed out of thirty and takes into account the evaluation obtained during the written exam and during the oral exam. During the course, there are two ongoing written tests. Students who pass the ongoing tests are exempt from the final written exam and can directly take the oral exam. The ongoing tests are related to the topics covered during the course and are held respectively in the middle and at the end of the course (on dates that are agreed during the lessons with the students). A score out of thirty is assigned to each test. The written test is passed if the average of the two tests is equal to, or greater than, 15/30. During the written exams, it is permitted to use a calculator. More details on the exams can be found on the Moodle page of the course.

Programma del Corso

LA LUCE: Natura della luce. Onde elettromagnetiche. Spettro elettromagnetico. Polarizzazione. Legge di Snell. Angolo critico. Angolo di Brewster. Principio di sovrapposizione. Interferenza. Diffrazione. Componenti ottici. Specchi piani e sferici. Sorgenti luminose. Corpo nero. ELEMENTI DI FISICA DELLO STATO SOLIDO: Bande di energia nei solidi. Gap diretto ed indiretto. Conduttività elettrica. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci. Eccitoni. Concentrazione dei portatori. Funzione lavoro. Diffusione e deriva dei portatori. Giunzione p-n. Eterogiunzioni di semiconduttori. Giunzioni metallo semiconduttore. DISPOSITIVI ATTIVI A STATO SOLIDO: Struttura fisica e principio di funzionamento di dispositivi attivi a semiconduttore: JFET, MOSFET, MuGFET, FinFET, GAAFET, MESFET, HEMT, BJT e HBT. Tecnologie e materiali per fabbricazione dispositivi. Tecniche di modellistica circuitale per transistor ed utilizzo di pacchetti CAD per l’implementazione dei modelli per transistor. MODULAZIONE DELLA LUCE: Polarizzazione lineare. Polarizzazione circolare. Polarizzazione ellittica. Birifrangenza. Lamina a quarto d'onda. Attività ottica. Effetto elettro-ottico. Dispositivi magneto-ottici. Effetto Faraday. Effetto acusto-ottico. DISPOSITIVI DI VISUALIZZAZIONE: Attivi e passivi dispositivi di visualizzazione. Luminescenza. Fotoluminescenza. Catodoluminescenza. Elettroluminescenza. Diodo emettitore di luce. Processi di ricombinazione radiativa. Efficienza di LED. Materiali per LED. Circuiti di polarizzazione per LED. LASER: Emissione ed assorbimento di radiazione. Inversione di popolazione. Retroazione ottica. Condizione di soglia. Perdite. Modi assiali. Modi trasversi. Classi di laser: laser a stato solido, laser a semiconduttore, laser a gas, laser a dye e laser ad elettroni liberi. Funzionamento in mode locking e Q-switching. Applicazioni. RIVELATORI DI RADIAZIONE OTTICA: Parametri dei rivelatori. Rivelatori termici. Bolometro. Rivelatori a fotoemissione. Fotodiodo a vuoto. Fotomoltiplicatori. Fotoconduttori. Fotodiodi a giunzione. FIBRE OTTICHE: Riflessione interna totale. Guida d’onda dielettrica planare. Guide d’onda a fibra ottica. Fibre step-index. Dispersione intermodale. Fibre graded-index. Fibre a singolo modo. Dispersione. Perdite. Tecniche di misura delle caratteristiche delle fibre. Misure di attenuazione. Misure di dispersione. Misura dell’indice di rifrazione. Materiali e fabbricazione di fibre. Sistemi di comunicazione ottica.

Course Syllabus

LIGHT: Nature of light. Electromagnetic waves. Electromagnetic spectrum. Polarization. Snell’s law. Critical angle. Brewster’s angle. Principle of superposition. Interference. Diffraction. Optical components. Flat and spherical mirrors. Light sources. Blackbody sources. ELEMENTS OF SOLID-STATE PHYSICS: Energy bands in solids. Indirect and direct bandgap. Electrical conductivity. Intrinsic and extrinsic semiconductors. Excitons. Carrier concentrations. Work function. Diffusion and drift of carriers. p-n junction. Semiconductor heterojunctions. Metal-semiconductor junctions. ACTIVE SOLID-STATE DEVICES: Physical structure and principle of operation of active semiconductor devices: JFET, MOSFET, MuGFET, FinFET, GAAFET, MESFET, HEMT, BJT and HBT. Technologies and materials for device fabrication. Circuit-based modeling techniques for transistor and use of CAD tools to implement transistor models. MODULATION OF LIGHT: Linear polarization. Circular polarization. Elliptical polarization. Birefringence. Quarter-wave plate. Optical activity. Electro-optic effect. Magneto-optic devices. Faraday effect. Acousto-optic effect. DISPLAY DEVICES: Active and passive display devices. Luminescence. Photoluminescence. Cathodoluminescence. Electroluminescence. Light-emitting diode. Radiative recombination processes. LED efficiency. LED materials. LED drive circuitry. LASERS: Emission and absorption of radiation. Population inversion. Optical feedback. Threshold conditions. Losses. Axial modes. Transverse modes. Classes of laser: doped insulator lasers, semiconductor lasers, gas lasers, liquid dye lasers, and free electron laser. Mode locking and Q-switching. Applications. PHOTODETECTORS: Detector performance parameters. Thermal detectors. Bolometer. Photoemissive devices. Vacuum photodiodes. Photomultipliers. Photoconductive detector. Junction detectors. OPTICAL FIBERS: Total internal reflection. Planar dielectric waveguide. Optical fiber waveguides. Step index fibers. Intermodal dispersion. Graded index fibers. Single mode fibers. Dispersion. Losses. Measurement of fiber characteristics. Fiber attenuation measurements. Fiber dispersion measurements. Refractive index profile measurement. Fiber materials and manufacture. Optical communication systems.