Struttura dei cristalli, vettori e reticoli primitivi. Reticoli di Bravais bidimensionali e tridimensionali con base monoatomica e biatomica. Cella unitaria, cella unitaria di Wigner-Seitz. Reticoli cristallini, esperimento di Bragg e reticolo reciproco. Indici di Miller. Direzioni cristallografiche e piani cristallografici. Sfera di Ewald. Figura di diffrazione. Proprietà del reticolo reciproco. Fattore di struttura nel reticolo reciproco. Tecniche di diffrazione: raggi X, Elettroni e Neutroni. Diffrattometro di Laue, Debye Scherer e goniometro, Microscopia Elettronica SEM e TEM. Tecnica RHEED per lo studio delle superfici. Diffrazione di onde elettroniche nel cristallo, degenerazione alla prima zona di Brillouin. Cenni sulla crescita dei cristalli. Modello classico degli elettroni liberi nei cristalli. Legge di Ohm, conducibilità, velocità di drift, mobilità, tempo di vita media, cammino libero medio. Effetto Hall, coefficiente di Hall. Limiti del modello classico. Modello quantistico, approssimazione ad un elettrone. Relazione di dispersione E(k), sfera di Fermi, densità degli stati. Densità degli stati nel modello a elettroni liberi. Distribuzione di Fermi. Interpretazione quantistica di proprietà termiche ed elettriche in metalli. Regola di Matthiesen, regola di Nordheim. Diagramma a bande, densità degli stati nelle bande, conducibilità nelle bande, classificazione di isolanti, metalli e semiconduttori, Teorema di Bloch. Diagramma a bande ridotto in una e due dimensioni. Gap diretta ed indiretta. Densità di elettroni in banda di conduzione. Lacune. Drogaggio nei semiconduttori. Legge di azione di massa. Dipendenza della conducibilità, della mobilità e e della concentrazione di portatori liberi con la temperatura e con la concentrazione di impurezze. Andamento della concentrazione dei portatori liberi al variare della gap e della temperatura. Determinazione sperimentale della concentrazione di portatori e della mobilità. Casi dei principali semiconduttori. Portatori di maggioranza e minoranza. Ricombinazione. Ratei di generazione e ricombinazione. Tempo di vita medio dei minoritari. Diffusività. Cammino libero medio dei minoritari. Ricombinazioni radiative e non radiative. Difetti nei cristalli. Un difetto inevitabile: la superficie. Stati superficiali, Regione di Carica Spaziale. Giunzione p-n, correnti di diffusione e di drift. Equazione del diodo. Corrente generata nella Regione di Carica Spaziale. Corrente da coppie fotogenerate. Il coefficiente di assorbimento e la lunghezza di penetrazione della luce nei semiconduttori. La cella solare. Tensione di circuito aperto, corrente di cortocircuito, Fill Factor, punto di lavoro, efficienza. Tecnologie a semiconduttore per il fotovoltaico. Considerazioni economiche energetiche, elettrotecniche. Processo di produzione di una cella al Si multicristallino. Cenni su celle al Si amorfo e celle di Graetzel. Ricombinazioni radiative e non-radiative. Diodo LED. Strutture Metallo-Ossido-Semiconduttore (MOS). Transistor MOSFET. Le problematiche relative alla realizzazione di circuiti integrati. Il cablaggio e l'isolamento. I livelli di connessione. Il prodotto rho*epsilon. La legge di Moore. Il modulo del materiale e il modulo della struttura. Lo yield di un processo a multi-step. Proprietà dell'Ossido di Silicio. Applicazioni dell'Ossido di Silicio nella tecnologia Microelettronica. Suo impiego nel drogaggio per diffusione ed impiantazione Ionica. Ossido termico, secco e umido. Modello di Deal e Grove. Ossido da Chemical Vapor Deposition, termico e via plasma. Teoria dell'elasticità. Strain e stress normali e di taglio. Coefficienti di Lamè, modulo di Young, coefficiente di Poisson, Modulo di massa. Energia elastica.
Fononi, prima zona di Brillouin, relazione di dispersione, modi fononici: longitudinale e trasversale. Il fonone come quasi-particella, conservazione di Energia e Momento. Statistica di Bose-Einstein
Effetto Raman, modi di Stokes and anti-Stokes. Fononi in basi biatomiche: branca ottica e branca acustica. Termometro Raman. Richiamo dei concetti e definizioni fondamentali del magnetismo. Diamagnetismo e Paramagnetismo. Teoria del campo medio nel ferromagnetismo: Funzione di Langevin, risoluzione grafica, temperatura di Curie, equazione di Curie-Weiss. Cenni su ferrimagnetismo e antiferromagnetismo, Temperatura di Nèel. Oltre la teoria di campo medio, direzioni preferenziali. Domini Magnetici, pareti di dominio, pareti di Nèel e di Bloch, Moto delle pareti: considerazioni energetiche. Interazione parete-difetto. Ciclo di isteresi. Perdite di potenza: da correnti parassite e isteretiche. Calcolo della perdita come integrale del ciclo di isteresi. Risposta in frequenza. Ferromagneti duri e dolci. Memorizzazione magnetica e trasformatori. Modifiche del ciclo tramite ingegneria dei difetti e sollecitazioni meccaniche. Superconduttività. Superconduttori di I e II tipo, Effetto Meissner, Equazioni di London, lunghezza di penetrazione. Temperatura critica, Campo Magnetico critico, Corrente critica. Superconduttori ad alta Tc. Elementi di teoria BCS, coppie di Cooper, lunghezza di coerenza. Capacità termica in funzione della temperatura, gap di energia nei superconduttori. Predizioni della teoria BCS. Origine della gap nei superconduttori. Leggi di scala nella BCS. Applicazioni dei superconduttori: effetto Josephson, elettromagneti, trasporto di energia, treno a levitazione magnetica.
Crystal structure, and the primitive lattice vectors. Monatomic and diatomic two-dimensional and three-dimensional Bravais Lattices. Unit cell, the Wigner-Seitz unit cell. Crystal lattices, Bragg experiment and reciprocal lattice. Miller indices. Crystallographic directions and crystallographic planes. Ewald sphere. Diffraction figure. Properties of the reciprocal lattice. Factor structure in the reciprocal lattice. diffractionTechniques: X-ray, electrons and neutrons. Laue diffractometer, Debye Scherer and goniometer, Electron Microscopy SEM and TEM. RHEED technique for the study of surfaces. Diffraction of electron waves in the crystal, degeneration to the first Brillouin zone. Notes on crystal growth. Classic model of free electrons in crystals. Ohm's law, conductivity, speed of drift, mobility, average life time, mean free path. Hall Effect, Hall coefficient. Limitations of the classical model. Quantum model, one-electron approximation. Dispersion relation E (k), the Fermi sphere, the density of states. Density of states in the free-electron model. Fermi distribution. Quantum interpretation of thermal and electrical properties in metals. Matthiesen rule, Nordheim rule. Diagram bands, density of states in the bands, conductivity in the bands, classification in insulators, metals and semiconductors, Bloch theorem. Diagram bands reduced in one and two dimensions. Direct and indirect gap. Density of electrons in the conduction band. Holes. Doping in semiconductors. The law of mass action. Dependence of the conductivity, and of the mobility and free carrier concentration with temperature and with the concentration of impurities. Variation of the concentration of free carriers on the gap and the temperature. Experimental determination of carrier concentration and mobility. Cases of major semiconductor. Majority and minority carriers. Recombination. Rates of generation and recombination. Minority carriers average lifetime. Diffusivity. Mean free path of minority carriers. Radiative and non-radiative recombination. Defects in crystals. An unavoidable defect: the surface. Surface states, the Space Charge Region. P-n junction, the diffusion and drift current. Diode equation. Current generated in the Space Charge Region. Current from photogenerated pairs. The absorption coefficient and the penetration length of the light in semiconductors. The solar cell. Open circuit voltage, short circuit current, Fill Factor, working point, efficiency. Semiconductor technologies for photovoltaics. Energetic economic and electrical considerations. Process for producing a multicrystalline Si solar cell. Overview of the amorphous Si cells and Graetzel cells. Radiative and non-radiative recombinations. LED diode. Metal-Oxide-Semiconductor structures (MOS). MOSFET transistors. The issues related to the realization of integrated circuits. The wiring and the insulation. The connection levels. The product rho * epsilon. Moore's law. The material and the structure modulus. The yield of a multi-step process. Silicon Oxide properties. Applications of Silicon Oxide in microelectronics technology. Its use in doping by diffusion and Ionic implantation. Thermal oxide, dry and wet. Deal and Grove model. Oxide by Chemical Vapor Deposition, thermal and via plasma. Elasticity theory. Strain and normal stress and shear. Lamé coefficients, Young's modulus, Poisson's ratio, mass module. Elastic energy. Phonons, the first Brillouin zone, the dispersion relation, phonon modes: longitudinal and transverse. The phonon as a quasi-particle, conservation of energy and moment. Bose-Einstein statistics. Raman effect, Stokes and anti-Stokes emissions. Phonons in diatomic bases: optical and acoustic branches. Raman thermometer. Recalling basic concepts and definitions of magnetism. Diamagnetism and paramagnetism. The mean field theory in ferromagnetism: Langevin function, graphical resolution, Curie temperature, the Curie-Weiss equation. Overview of ferrimagnetism and antiferromagnetism, Néel temperature. Beyond the mean field theory, preferential directions. Magnetic domains, domain walls, Bloch and Neel walls, the walls motion: energy considerations. Interaction wall-defect. Hysteresis loop. Power losses: eddy currents and hysteretic. Calculation of loss as the integral of the hysteresis loop. Frequency response. hard and soft ferromagnets. Transformers and magnetic storage. Hysteresis cycle changes through engineering of defects and mechanical stresses. Superconductivity. I and type II superconductors, Meissner effect, London equations, penetration depth. Critical temperature, critical Magnetic Field, critical current. High-Tc superconductors. Elements of BCS theory, Cooper pairs, coherence length. Heat capacity as a function of temperature, the energy gap in superconductors. Predictions of the BCS theory. Origin of the gap in superconductors. Scaling laws in the BCS. Applications of superconductors: Josephson effect, solenoids, power transmission, magnetic levitation train.
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