PORTALE DELLA DIDATTICA

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Computational (opto) electronics: a journey through device-level models

01DOJRV

A.A. 2021/22

Course Language

Inglese

Degree programme(s)

Doctorate Research in Ingegneria Elettrica, Elettronica E Delle Comunicazioni - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 18
Lecturers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Tibaldi Alberto   Ricercatore a tempo det. L.240/10 art.24-B IINF-01/A 18 0 0 0 1
Co-lectures
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
*** N/A ***    
I dispositivi (opto)elettronici sono il motore delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT), alla base dell'irrefrenabile crescita in quantità e qualità dei servizi forniti a un'audience globale. In questo ambito, i modelli fisici a livello di dispositivo rappresentano un importante aiuto alla creatività degli ingegneri, permettendo di esplorare dispositivi e materiali innovativi senza ricorrere a campagne di prototipazione estese e costose. Lo scopo della prima parte del corso è fornire solide competenze di base riguardanti lo strumento TCAD fondamentale per ingegneri dei dispositivi elettronici: il modello Poisson-deriva-diffusione. Al fine di rendere concrete le lezioni teoriche, gli studenti saranno guidati nell'implementazione di un simulatore TCAD in MATLAB, a partire da codici pre-esistenti. La seconda parte del corso si concentra su aspetti più avanzati dei simulatori TCAD, finalizzati ad attaccare due delle criticità dell'ingegnerizzazione dei dispositivi. La prima è la necessità di simulare e progettare dispositivi pilotati con segnali ad alta velocità. Al fine di predire la risposta in modulazione dei dispositivi, il modello statico presentato nella prima parte del corso deve essere sviluppato includendo effetti dinamici. La possibilità più semplice è l'analisi di piccolo segnale. Tuttavia, nel caso si adottassero modulazioni di ampio segnale multilivello (per esempio, PAM-4), sono necessarie simulazioni in transitorio. L'ultima parte del corso si concentra sulla modellizzazione di effetti quantistici. Questi sono tipici dei dispositivi optoelettronici, dove è necessario descrivere un'interazione tra luce e materia, ma sono anche rilevanti nei dispositivi elettronici fortemente miniaturizzati. In questo contesto viene presentata la soluzione numerica dell'equazione di Schroedinger, e le strategie per il suo accoppiamento con il solutore Poisson-deriva-diffusione.
(Opto)electronic devices are the engine of information and communication technologies (ICTs), supporting the unstoppable growth of quantity and quality of services provided to the worldwide audience. In this context, physics-based device-level modeling tools represent a significant boost to the engineer creativity, allowing to explore innovative device concepts and materials without the need of extended and expensive prototyping campaigns. The scope of the first part of the course is to provide a solid background of the fundamental technology computer-aided design (TCAD) tool for device engineers: the Poisson-drift-diffusion model. To materialize the theoretical lectures, the students are guided towards the implementation of a TCAD simulator in MATLAB starting from existing templates and routines. The second part of the course is focused on more advanced features of TCAD simulators, aimed at attacking two criticalities of device engineering. The first is the need to simulate and design devices driven with high-speed signals. To predict the device modulation response, the static model presented in the first part of the course must be augmented including dynamic effects. The simplest possibility is the small-signal analysis. However, in case large signal multilevel modulations (e.g., PAM-4) are adopted, transient simulations are in order. The last part of the course is focused on quantum effects. These effects typical of optoelectronic components, where a light-matter interaction is required, but also relevant for extremely-scaled devices. In this context, the numerical solution of the Schroedinger equation is presented, as well as multiscale coupling strategies with the Poisson-drift-diffusion.
Conoscenza di base di programmazione MATLAB. Principi dell'operazione dei più importanti dispositivi elettronici a semiconduttore. Conoscenza di base di meccanica quantistica e fisica dello stato solido.
Fundamentals of MATLAB programming. Operating principles of the most important electronic semiconductor devices. Basics of quantum mechanics and solid-state physics.
I.1 Introduzione ai simulatori TCAD. (1.5h) a. Dalle equazioni di Maxwell all'equazione di Poisson. b. Dall'equazione di trasporto di Boltzmann al modello di deriva-diffusione. I.2 Dispositivi a semiconduttore all'equilibrio. (1.5h) a. Contatti ohmici e Schottky. b. Discretizzazione alle differenze finite dell'equazione di Poisson-Boltzmann. c. Linearizzazione tramite il metodo di Newton generalizzato. I.3 Dispositivi a semiconduttore fuori equilibrio. (1.5h) a. Equazioni di continuità dei portatori e relazioni costitutive di deriva-diffusione. b. Stabilità numerica del modello Poisson-deriva-diffusione. I.4 Processi di generazione-ricombinazione. (1.5h) a. Il modello di Shockley-Read-Hall della ricombinazione non radiativa assistita da difetti. b. Processi di ricombinazione radiativa. c. Ricombinazione Auger. d. Generazione ottica nei semiconduttori. Lab I. Implementazione guidata di un simulatore stabilizzato Poisson-deriva-diffusione per dispositivi (opto)elettronici. (3h) II.1 Simulazione dinamica di dispositivi a semiconduttore. (3h) a. Analisi di piccolo segnale. b. Introduzione alla simulatore in transitorio. II.2 Simulazione di dispositivi a semiconduttore con correzioni quantistiche (3h) a. Soluzione numerica dell'equazione di Schroedinger. b. Accoppiamento dell'equazione di Schroedinger e del modello Poisson-deriva-diffusione. Lab II. Personalizzazione del codice sviluppato nel Lab I per il progetto di fine corso. (3h)
I.1 Introduction to TCAD simulators. (1.5h) a. From Maxwell to Poisson equation. b. From the Boltzmann transport equation to the drift-diffusion model. I.2 Semiconductor devices at equilibrium. (1.5h) a. Ohmic and Schottky contacts. b. Finite difference discretization of Poisson-Boltzmann equation. c. Linearization by the generalized Newton method. I.3 Semiconductor devices out of equilibrium. (1.5h) a. Carrier continuity equations and drift-diffusion constitutive relations. b. Numerical stability of the Poisson-drift-diffusion model. I.4 Generation-recombination processes. (1.5h) a. The Shockley-Read-Hall model of defect-assisted non-radiative recombination. b. Radiative recombination processes. c. Auger recombination. d. Optical generation in semiconductors. Lab I. Guided implementation of a stabilized 1D Poisson-drift-diffusion simulator for (opto)electronic devices. (3h) II.1 Dynamic simulation of semiconductor devices (3h) a. Small-signal analysis. b. Introduction to transient simulation. II.2 Quantum-corrected simulation of semiconductor devices (3h) a. Numerical solution of Schroedinger equation. b. Coupling Schroedinger and Poisson-drift-diffusion models. Lab II. Customization of the Lab I code towards the final project. (3h)
In presenza
On site
Presentazione report scritto
Written report presentation
P.D.2-2 - Luglio
P.D.2-2 - July