1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Introduzione Corso di Laurea in...

1Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

Leonello Servoli

IntroduzioneCorso di Laurea in Informatica

Corso di Tecniche di Acquisizione Dati 1Tecniche di Acquisizione Dati 1

Docente: Leonello Servoli

c/o: Dipartimento di Fisica

E-Mail: leonello.servoli@pg.infn.itSito web: http://cms.pg.infn.it/servoli

Tel. 075-5852706

Leonello ServoliCorso Fisica dei Dispositivi Elettronici

Leonello Servoli

Libri e OrariLibro: Microelettronica; J. Millman, A.Grabel (Mc Graw Hill)

Dispense TAD 1: Microncontrollori (Prof. Verdini)

Linguaggio C: C programming: a modern approachC programming: a modern approach di K.N. King, W. W. Norton & Company nel 1996. ( qualunque altro volume di programmazione C )( qualunque altro volume di programmazione C )

- Consultazione: Dispositivi a SemiconduttoreDispositivi a Semiconduttore; S.M. Sze Biblioteca Scientifica Hoepli Elettronica Integrata DigitaleElettronica Integrata Digitale; E. Taub, D. Schilling (Gruppo Editoriale Jackson)

Libri di testo e di consultazione

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Contenuti del CorsoCrediti: 6; Ore: teoria: 38; pratica:10;Obiettivi:1) Familiarizzare gli studenti con il

concetto di sensore, di acquisizione del segnale analogico, di digitizzazione del

segnale.2) Familiarizzare gli studenti con la

programmazione in C di sistemi embedded, basati su microcontrollori della famiglia MCS-51 e MCS-52.

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Contenuti del Corso (1)

• Diodi e Transistor• Circuiti integrati• Realizzazione di dispositivi logici• Conversione Analogico-Digitale• Dispositivi optoelettronici, trasduttori

• Semplici esperienze Laboratorio

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Contenuti del Corso (2)

• Implementazione durante il corso del protocollo I2C e di un rudimentale sistema operativo per i microcontrollori.

• Sviluppare una o più applicazioni dimostrative basate sui prodotti software precedentemente sviluppati.

• Programmazione di microcontrollori della famiglia MCS-51 in linguaggio C.

Leonello Servoli

Informazioni varie sul corso• Durante il corso si svolgeranno esperienze di

laboratorio con relazioni finali (obbligatorie).

• Gli esami consistono in un colloquio e in una

discussione delle relazioni.

• L’orario di ricevimento ufficiale è:

Lunedì dalle 14 alle 15.

Oppure su appuntamento.

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Orari (Dip. Fisica):

Lunedì 15-18 Lab. DAQ

Martedì 9-11 Lab. DAQ

Giovedì 9-11 Lab. DAQ

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Modello Atomo Idrogeno

ProtoneElettrone

• Quantizzazione delle orbite solo alcune orbite sono permesse;• Principio di esclusione del Pauli: solo due elettroni per ogni orbita;• Energia di legame: energia da somministrare all’elettrone per separarlo dal nucleo;• Le orbite sono ordinabili, rispetto alla energia di legame decrescente, secondo la seguente serie: (1s), (2s,2p),(3s,3p,3d), etc…. (1 orbita di tipo s, 3 orbite di tipo p, 5 di tipo d, etc.)

R = 0.529x10-10 m = 0.0529 nm

Leonello Servoli

Orbitali (1)

In realtà piuttosto chedi orbite si parla diorbitali, intendendo contale termine ladistribuzione in 3dimensioni dellaprobabilità di trovarel’elettrone in quelparticolare punto.

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Orbitali (2)

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Orbitali (3)Un sistema atomico è tanto più stabile quanto più il livello più esterno degli elettroni è completo.

Per i primi livelli:

• Livello 1: 2 (1 orbitale s x 2 elettroni)• Livello 2: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni)• Livello 3: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni)• Livello 4: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni)• Livello 5: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni)• Livello 6: 32 (1 orbitale s + 3 p + 5 d + 7 f x 2 elettroni)

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Tabella Periodica

Silicio

Germanio

Tetravalenti

Monovalenti

Gas Nobili

Carbonio

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Configurazione elettronica Carbonio

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Configurazione elettronica Silicio

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Configurazione elettronica Germanio

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Ibridazione degli orbitali s+p 2 sp

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Ibridazione degli orbitali s+2p 3 sp2

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Ibridazione degli orbitali s+3p 4 sp3

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Legami tra atomi (1)Una molecola è la più piccola unità di un materiale

che mantiene le proprie caratteristiche chimiche.

Es. Acqua: H2O, Ossigeno: O2, Helio: He;

Una molecola è formata da uno o più atomi,

anche di diverse specie, tenuti assieme dai

legami atomici.

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Legami tra atomi (2)

• Gli atomi si legano poiché tendono ad assumere uno stato il più stabile possibile, dal punto di vista energetico; tale obiettivo si ottiene in genere “condividendo” gli elettroni degli orbitali più esterni.

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Legami tra atomi (3)

Ci sono vari tipi di legami atomici:

• Legame polare• Legame covalente• Legame metallico

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Legame Polare

Nel legame polare un elettrone viene completamente ceduto all’altro atomo e si formano due ioni che siattraggono perché aventi caricheopposte.

Mancanza di un elettronenell’orbitale esterno

Presenza di un elettrone

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Legame Covalente (1)

Nel legame covalente gli elettroni vengono messi in comune trai due atomi pariteticamente.

Elettroni in comune

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Legame Covalente (2)

s+s s+p

p+p : p+p :

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Legame Metallico

Nel legame metallico gli elettroni vengono messi in comune tratutti gli atomi pariteticamente.

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Struttura della Materia (1)

La materia si organizza in diversi modi:• forma gassosa: ogni molecola è essenzialmente

indipendente dalle altre(es. gas, vapori)

• forma liquida: ogni molecola è legata debolmentealle altre (scarsa resistenza a forze esterne)

• forma solida: ogni molecola è fortemente legata alle altre circostanti, definendo strutture

permanenti.

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Struttura della Materia (2)

I solidi si dividono a loro volta in• Corpi amorfi: non aventi una struttura di base che

si ripete regolarmente, es. vetro.• Cristalli: aventi una struttura di base (cella unitaria)

che si ripete regolarmente, es. silicio.

L’insieme delle celle è chiamato il reticolo cristallino.La distanza tra atomi adiacenti del reticolo è detta: costante reticolare o spaziatura interatomica

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Struttura cristallina del diamante (ibrido sp3)Distanza interatomicao passo del reticolo

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Legame tetraedrico

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Bande di energia

Es. livello 1s atomo di idrogeno = -13,6 eV = -21,76x10-19 Joule

Quando ci sono molti atomi distanti i livelli di energia sono gli stessi;se gli atomi si avvicinano e quindi interagiscono, i livelli di energia tendono a differenziarsi di poco l’uno dall’altro.Per una struttura cristallina con N atomi, avremo N livelli inizialmentesovrapposti che si separano leggermente al diminuire della distanza Interatomica. (N=1023)

Ad ogni orbitale è associata una energia di

legame.

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Bande di valenza (1)

Livello valenza

Livello ionizzazione

NA = 1023

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Livello valenza

NA = 1023

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Banda Proibita

Livello valenza

NA = 1023

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Bande di valenza (2)

Isolante Semiconduttore Conduttore

BANDA DI VALENZA

OCCUPATA

BANDA DI CONDUZIONE

Eg ~ 1 eV

Eg ~ 9 eV

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