The course is taught in English.
Questo insegnamento, collocato al primo semestre del primo anno della Laurea Magistrale in Nanotechnologies for ICTs , intende fornire le basi teoriche della fisica dello stato solido e la loro applicazione nei dispositivi elettronici a stato solido con particolare riferimento alle applicazioni nei settori delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT) e dell’energia.
Il ruolo dell'insegnamento è centrale nello sviluppo della figura professionale del laureato magistrale in Ingegneria delle Nanotecnologie, in quanto in esso vengono fornite le basi per la comprensione dei successivi insegnamenti del corso di studio.
L’insegnamento, integrato, consta di un modulo di Solid State Physics e di un modulo di Electronic Devices. Nel primo modulo gli studenti sono suddivisi in due squadre per i 4 crediti iniziali. Una squadra contiene gli studenti provenienti da corsi di Laurea Triennale dove non sono stati trattati gli elementi di base di meccanica quantistica e statistica necessari alla comprensione delle proprietà della materia. La seconda squadra contiene gli studenti che provengono da corsi di Laurea Triennali dove le basi della fisica moderna sono già stati introdotte. In entrambi i casi sono trattati, a due diversi livelli di approfondimento, quegli aspetti della fisica dello stato solido che sono strumenti essenziali per studiare le proprietà elettroniche di materiali nanostrutturati. La seconda parte del primo modulo, a squadre riunite, è dedicata ad approcci generali al calcolo della struttura a bande di un solido conduttore o semiconduttore. Nel secondo modulo vengono introdotti gli strumenti di base per la comprensione del funzionamento e il design di dispositivi elettronici allo stato solido

- Conoscenza delle proprietà elettriche ed ottiche di solidi cristallini e nanostrutture.
- Conoscenza approfondita, su rigorosa base quantistica, delle proprietà conduttive di metalli, semiconduttori ed isolanti anche nanostrutturati.
- Conoscenza dei fenomeni connessi alla coerenza quantistica ed al regime balistico di elettroni in nanostrutture.
- Capacità di valutare gli effetti legati al moto elettronico in nanostrutture con effetti di confinamento laterale
- Capacità di calcolare la struttura a bande anche in sistemi a bassa dimensionalità
- Conoscenza del funzionamento dei principali dispositivi (opto)elettronici a stato solido.
- Capacità di applicare Ile conoscenze di fisica dello stato solido alla comprensione dei dispositivi elettronici
- Capacità di interpretare i risultati di importanti tecniche sperimentali per la caratterizzazione di dispositivi elettronici ed optoelettronici..
- Capacità di utilizzare modelli fisici per l’analisi e il progetto dei principali dispositivi (opto)elettronici a stato solido.
- Capacità di derivare e utilizzare modelli circuitali per l’analisi dei principali dispositivi (opto)elettronici a stato solido.

- Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica ondulatoria, elementi di struttura della materia)
- Elementi di fisica moderna.
- Elementi di elettronica.

1. Modulo Solid State Physics (6 cr.)

Squadra 1 (4 cr.)

Transizione dalle fisica classica alla fisica quantistica. (0,5 cr)
Equazione di Schrodinger. Misura di una grandezza fisica. Principio di indeterminazione. (05 cr)
Problemi quantistici unidimensionali, Equazione di Schrodinger una schiera infinita di buche di potenziale. Elettroni nei solidi cristallini. (1 cr.)
Il gas di fotoni (distribuzione di Bose-Einstein), il gas di elettroni (distribuzione di Fermi-Dirac). (1 cr.)
Proprietà elettriche di semiconduttori e metalli (0,5 cr)
Interazione fotoni ' materia (0,5 cr)

Squadra 2 (4 cr.)

L'equazione del trasporto di Boltamann e la conducibilità elettrica dei metalli (0,5 cr.)
Fononi e elettroni (0,5 cr.)
Effetti di superficie e di interfaccia (0,5 cr.)
Sistemi a bassa dimensionalità (2 cr.): il grafene; la Formula di Landauer; il tunneling risonante, la Coulomb blockade, il transistor a singolo elettrone
Elementi di spintronica: transistor spintronici (0,5 cr.)

Squadre 1 e 2 (2 cr.)

- Il funzionale della densità (1cr.)
- Applicazioni del metodo al calcolo di strutture a bande (1 cr)


2. Modulo di Electronic Devices (6 cr.)

Squadre 1 e 2 ( 6 cr.)

Modelli semiclassici per l’analisi e il progetto di dispositivi elettronici e optoelettronici (0,5 cr.)
Giunzione p-n ed eterogiunzioni (0,5 cr)
Transistore bipolari a omogiunzione ed eterogiunzione (1 cr)
Giunzione metallo-semiconduttore e transistori MESFET (1,5 cr.)
Transistori FET ad eterostruttura (0,5 cr)
Sistema MOS e transistore MOSFET (1cr)
Effetto fotovoltaico e celle solari (1cr)

Modulo di Solid State Physics

Le esercitazioni in aula riguardano la risoluzione di semplici problemi, con applicazioni di quanto trattato nelle lezioni immediatamente precedenti. Può essere richiesto in taluni casi l'uso di calcolatrici scientifiche (personali, di ciascuno studente).
Nella seconda parte del modulo (a squadre riunite) è prevista attività di laboratorio informatico in LAIB allo scopo di far applicare agli studenti in casi concreti il metodo del funzionale della densità.

Modulo di Electronic Devices

Le esercitazioni in aula propongono problemi risolvibili con metodi analitici (con ausilio di calcolatrice personale) e problemi che richiedono l’applicazione di tecniche numeriche (con ausilio del computer personale). Ogni settimana sono proposti ulterioi esercizi da svolgersi in autonomia (homework) per i quali è fornita la soluzione nella settimana seguente.

C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley)
H. Ibach ' H. Luth: Solid-State Physics: An Introduction to Theory and Experiment (Springer)
N. W. Ashcroft ' N. D. Mermin, Solid state physics (Brooks Cole)
Materiale messo a disposizione dai Docenti
I testi, scelti tra quelli elencati, saranno comunicati a lezione dal docente titolare dell'insegnamento

Modulo di Solid State Physics

L'esame finale è scritto. Esso comprende: quesiti a risposta multipla e asserzioni (da giudicare vere o false) nonché due temi a risposta aperta su tutti gli argomenti del corso. Il voto massimo conseguibile nella parte di quesiti e asserzioni è di 20 trentesimi, quello conseguibile nella parte di temi a risposta libera è di 10 trentesimi. Il voto può essere incrementato/diminuito fino a 3 punti sulla base della qualità della relazione sulle attività di laboratorio informatico. Il tempo complessivamente assegnato per la prova scritta è di 90 minuti. Gli studenti interessati e con dimostrata conoscenza della fisica dello stato solido possono chiedere di integrare l’esame scritto con una prova teorica orale

Modulo di Electronic Devices

L’esame finale è scritto. Esso è articolato in esercizi numerici e domande a risposta aperta ed è volto ad accertare l’acquisizione da parte dello studente della capacità di analizzare il funzionamento dei dispositivi presentati durante il corso. Per gli studenti interessati e con dimostrata conoscenza del funzionamento dei dispositivi a semiconduttore elementari è prevista la possibilità di sostituire l’esame scritto con una tesina su argomenti del corso e un orale per la discussione della stessa.