Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori

1. Corso-Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori D. Cavalcoli*, A. Cavallini, B. Fraboni M.Canino, F. Fabbri, L. Rigutti, M.Rossi Università di Bologna, Dipartimento di Fisica, Gruppo semiconduttori *cavalcoli@bo.infn.it http://www.df.unibo.it/semiconductors

2. 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 Motivazioni

3. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Argomenti • Equazioni di Maxwell nella materia, definizione dei proprietà elettriche e ottiche (Modello macroscopico e microscopico). • 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. • Corso: • Interazione radiazione-materia nei semiconduttori • Proprietà ottiche ed elettriche dei semiconduttori • Disposivi a semiconduttore, principi di funzionamento celle solari fotovoltaiche, LED, LASER • Laboratori: • Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni sensoristiche. • Misura delle proprietà ottiche di semiconduttori elementari e composti. • Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori.

4. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO I LABORATORI

5. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 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. GF = (1/) R/R GF (3C-SiC) [3-32] 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)

6. 1. Tecnica TLM Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO V l d A w t Rc Rc Rbulk W I vs V slope = 1 / Rtotal Rtotal = 2Rc+ [r/ (w t)] l

7. 1. Tecnica TLM: estrazione dei parametri elettrici Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 2Rc Rtotal = 2Rc+ [r / (w t)] l Rtotal slope r / (w t) l

8. Corso 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.

9. 2.Ottiche. Principio dell’effetto fotoelettrico interno Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Gli elettroni promossi in banda di conduzione aumentano la conducibilità del materiale (fotoconducibilità) hn>Egap hn<Egap 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.

10. 2.Ottiche. Principio della misura Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Segnale basso del sensore piroelettrico Vengono generati portatori liberi di carica: segnale alto del sensore di fotoconducibilità La luce non viene trasmessa dal campione Luce monocromatica Luce bianca Illuminazione con fotoni di energia superiore al gap hn>Egap (l<hc/Egap)

11. 2.Ottiche. Principio della misura Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Segnale alto del sensore piroelettrico Non vengono generati portatori liberi di carica: segnale basso del sensore di fotoconducibilità La luce viene trasmessa dal campione Luce monocromatica Luce bianca Illuminazione con fotoni di energia inferiore al gaphn<Egap(l>hc/Egap)

12. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 2. Ottiche. Dettaglio degli strumenti. Lampada Reticolo

13. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 3. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori. • Misura di r (funzione sia della densità degli elettroni n che della loro mobilità m) vs T • metalli e semiconduttori • DT: 80K - 450K. s =1/r = q m n

14. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO METALLIn costante con T, rvaria perché varia la m. R cresce con T : R ≈Ro(1+βt), RoR(0), e β=δR/(Roδt) coefficiente di temperatura del metallo. SEMICONDUTTORISia n chem 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 intrinseco estrinseco n da drogante, s da m s =1/r = q m n 3. Elettriche. Risultati.

16. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Fine

17. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Tempi/modalità • 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 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?)

18. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 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

19. Area (A) Resistività di contatto J = i / A densità di corrente Corrente (i) rc = (J/V)-1 [W cm2] resistività di contatto

20. Processo di realizzazione dei sensori di pressione (2) Piezoresistività in 3C-SiC GF = (1/) R/R 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° compressione estensione • 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)