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FISICA SPERIMENTALE
REGGIO DI CALABRIA
Dati Generali
Periodo di attività
Syllabus
Obiettivi Formativi
Obiettivi formativi
L’obiettivo formativo del corso di “Fondamenti fisici della strumentazione biomedica” è trasferire agli studenti i principi fondamentali e le leggi fisiche alla base del funzionamento dei principali dispositivi elettronici e fotonici, della produzione e utilizzazione dei raggi X per usi diagnostici, i principi fisici alla base dell’imaging a risonanza magnetica.
Particolare attenzione è rivolta alla risoluzione di problemi riguardanti la fisica dei semiconduttori, l’elettrostatica della giunzione p-n e delle giunzioni metallo-semiconduttore, i diagrammi a bande di energia anche di materiali nanostrutturati.
Conoscenza e comprensione: al superamento dell’esame lo studente conosce e ha compreso la classificazione delle principali strutture cristalline di interesse per l’elettronica e la fotonica, i meccanismi che determinano la formazione di una barriera di potenziale in giunzioni p-n e giunzioni metallo semiconduttore e i relativi diagrammi a bande di energia, i principi fisici alla base del funzionamento dei dispositivi emettitori di luce (LED e diodi laser). Conosce e ha compreso i principi fisici alla base dell’imaging a risonanza magnetica e della produzione di raggi X per uso diagnostico.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: al superamento dell’esame lo studente è in grado di applicare le conoscenze teoriche acquisite per la risoluzione di problemi anche complessi di fisica dei semiconduttori utilizzando le leggi fondamentali della Teoria Quantistica per tracciare i diagrammi a bande di energia e per comparare le prestazioni di differenti dispositivi a stato solido emettitori di luce.
Autonomia di giudizio: al superamento dell’esame lo studente è in grado di esaminare criticamente i risultati ottenuti nella risoluzione di problemi. A seguito del superamento dell’esame, lo studente sarà in grado di riconoscere situazioni in cui applicare le competenze acquisite, di identificare la tipologia di problema e di valutare autonomamente possibili alternative per la sua risoluzione.
Abilità comunicative: a seguito del superamento dell’esame, lo studente è in grado di comunicare le conoscenze acquisite attraverso un linguaggio tecnico-scientifico adeguato a interlocutori specialisti e non specialisti.
Capacità di apprendimento: a seguito del superamento dell’esame, lo studente è in grado di approfondire in autonomia le conoscenze acquisite e di applicarle autonomamente allo studio dei nuovi argomenti da affrontare nella prosecuzione del proprio percorso di studio e in ambito lavorativo.
Prerequisiti
nessun prerequisito
Metodi didattici
Lezioni frontali ed esercitazioni
Verifica Apprendimento
Modalità di accertamento e griglia di valutazione
L’esame consiste in due prove, una scritta e una orale.
La prova scritta ha lo scopo di accertare la capacità dello studente di applicare le conoscenze acquisite durante il corso alla risoluzione di problemi anche complessi riguardanti l’elettrostatica elettrostatica di omo- ed etero-giunzioni, i diagrammi a bande e il potenziale di contatto in omo- ed etero-giunzioni, le proprietà ottiche dei solidi e dei semiconduttori.
Il superamento della prova scritta consente l’accesso alla prova orale.
La prova orale è volta ad accertare il livello di conoscenza e comprensione dei contenuti del corso, di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento e le abilità comunicative. La prova orale consiste nella discussione della prova scritta, in domande e/o esercizi sui contenuti del corso.
Il voto finale delle prove di esame è determinato tenendo conto sia della prova scritta che della prova orale.
Griglia di valutazione
30 e lode: conoscenza completa, approfondita e critica degli argomenti, eccellente proprietà di linguaggio, completa ed originale capacità interpretativa, piena capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
28 - 30: conoscenza completa e approfondita degli argomenti, ottima proprietà di linguaggio, completa ed efficace capacità interpretativa, in grado di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
24 - 27: conoscenza degli argomenti con un buon grado di padronanza, buona proprietà di linguaggio, corretta e sicura capacità interpretativa, buona capacità di applicare in modo corretto la maggior parte delle conoscenze per risolvere i problemi proposti;
20 - 23: conoscenza adeguata degli argomenti ma limitata padronanza degli stessi, soddisfacente proprietà di linguaggio, corretta capacità interpretativa, più che sufficiente capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
18 - 19: conoscenza di base degli argomenti principali, conoscenza di base del linguaggio tecnico, sufficiente capacità interpretativa, sufficiente capacità di applicare le conoscenze di base acquisite;
<18 Insufficiente: lo studente non possiede una conoscenza accettabile degli argomenti trattati durante il corso.
Testi
Neamen D.A., "Semiconductor Physics and Devices Basic Principles", Mc Graw-Hill
S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley-Interscience
Domenico Scannicchio, Fisica Biomedica, EdiSES
M. Coriasco, O.Rampado, G. B. Bradac, Elementi di risonanza magnetica, Springer
Contenuti
Programma del corso di "Fondamenti Fisici della Strumentazione biomedica"
Introduzione alla struttura della materia
Crisi della Fisica Classica – Modello atomico di Bohr - Principio di indeterminazione di Heisenberg – Natura ondulatoria della materia
Solidi
Introduzione alle strutture cristalline - Indici di Miller - Struttura cristallina di Silicio, Germanio, Arseniuro di Gallio – La struttura cristallina della grafite
Introduzione alla Meccanica Quantistica dei solidi
Teoria quantistica di Schroedinger e funzione d’onda –Particella libera, buca di potenziale, barriera di potenziale, oscillatore armonico. – Principio di esclusione di Pauli - Gas di elettroni liberi in una, due e tre dimensioni – Densità di stati – Bande di energia –Classificazione dei materiali sulla base della struttura a bande: metalli, semiconduttori ed isolanti.
Semiconduttori
Semiconduttori intrinseci ed estrinseci - Concentrazione di portatori intrinseci – Gap di banda – Cammino libero medio e tempo libero medio – Mobilità - Conduttività – Diffusione dei portatori – Relazione di Einstein - Dipendenza dalla temperatura di Egap e della mobilità –Calcolo della concentrazione di elettroni e lacune in banda di conduzione e in banda di valenza – Livello di Fermi in semiconduttori intrinseci e drogati – Densità efficace degli stati in banda di conduzione NC e di valenza NV - Legge di azione di massa
Introduzione ai dispositivi a semiconduttore
Elettrostatica della giunzione p-n – Regione di svuotamento –Giunzione brusca - Potenziale di built-in Vbi - Capacità di svuotamento – Giunzione brusca asimmetrica – Elettrostatica della giunzione metallo-semiconduttore - Diagrammi a bande di energia – Diodo Tunnel
Laser
Principi dei laser - Laser a gas - Classificazione dei laser - Proprietà fisiche di un fascio laser - Modi laser - LED e diodi laser - semiconduttori a gap diretto e indiretto - Coefficiente di assorbimento - Cavità ottica - Condizione di soglia - Applicazione dei laser in medicina
Raggi X
Diffrazione dei raggi X – Legge di Bragg per i raggi X - Produzione e spettro dei raggi X - Il tubo a raggi X - Interazione dei raggi X con i tessuti - I raggi X in diagnostica medica - Assorbimento di raggi X - Principi dell’imaging a raggi X - Tomografia computerizzata -
Risonanza magnetica
Risonanza in fisica - Oscillatore smorzato e forzato - Fenomeni magnetici –Principi fisici della risonanza magnetica - Frequenza di Larmor - Spin in campo magnetico statico – Effetto di un campo magnetico rf: risonanza magnetica – Equazioni di Bloch – Tempi di rilassamento longitudinale T1 e trasversale T2 – Potenza assorbita – Free induction decay – Disomogeneità del campo statico e costante di tempo T2* - Spin echoes – Sequenza 90-180 – Misura di T1 e T2 tramite spin echo - Immagini da risonanza magnetica (MRI)
Tecniche spettroscopiche
Strumentazione ottica in Biologia e Medicina – Assorbimento ottico e spettrofotometria - Spettrofotometria UV-visibile – Spettroscopia Raman
Altre informazioni
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