Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori D. Cavalcoli *, A. Cavallini, B. Fraboni...

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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

*cavalcoli@bo.infn.it

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

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.

I LABORATORII LABORATORI

1. Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni

sensoristiche (Tecnica TLM).

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

ll ddww

Rtotal = 2Rc+ [ / (w t)] l

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)

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)

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

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

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

2.Ottiche. Principio della misura

2. Ottiche. Dettaglio degli strumenti.

ReticoloLampada

3. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori.

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

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?)

Le lezioni/i seminari

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)

Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori D. Cavalcoli *, A. Cavallini, B. Fraboni...

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