1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli Introduzione Corso di Laurea in...
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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: [email protected] web: http://cms.pg.infn.it/servoli
Tel. 075-5852706
2Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici
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
3Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici
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Leonello Servoli
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.
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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
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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)
s p
d
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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
Na
Cl
Na+Cl
-
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)
O O
O O
+
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
Livello ionizzazione
NA = 1023
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Banda Proibita
Livello valenza
Livello ionizzazione
NA = 1023
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Bande di valenza (2)
Isolante Semiconduttore Conduttore
BANDA DI VALENZA
OCCUPATA
BANDA DI CONDUZIONE
VUOTA
Eg ~ 1 eV
Eg ~ 9 eV