Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Electronic devices

06LTHNX

A.A. 2022/23

Course Language

Inglese

Course degree

1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Ingegneria Elettronica - Torino

Course structure
Teaching Hours
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-INF/01
ING-INF/01
2
6
F - Altre attività (art. 10)
B - Caratterizzanti
Altre conoscenze utili per l'inserimento nel mondo del lavoro
Ingegneria elettronica
2021/22
Il corso e' tenuto in lingua Inglese.. L'insegnamento è obbligatorio per gli studenti dei Corsi di Laurea in Ingegneria Elettronica e in Ingegneria Fisica e costituisce il primo elemento della catena che dalle conoscenze di fisica dello stato solido, condurrà lo studente a comprendere strutture circuitali complesse in ambito analogico e digitale. In particolare le competenze acquisite nell'insegnamento di Dispositivi Elettronici saranno direttamente applicate sia a livello teorico sia sperimentale nel corso di Circuiti Elettronici.
The course is taught in English. The course is mandatory for the Laurea degrees in Electronic Engineering and Physical Engineering, and is the first element of the chain that, starting from solid-state physics, will lead the student to understand both analog and digital complex circuits. In particular, the competences acquired in Electronic Devices will be directly applied at both the theoretical and experimental levels in the Electronic Circuits course.
-Conoscenza delle principali proprietà elettroniche dei solidi, con particolare attenzione ai semiconduttori -Conoscenza delle proprietà dei semiconduttori in equilibrio -Conoscenza dei principali parametri di trasporto di elettroni e lacune in un semiconduttore -Capacità di valutare le concentrazioni di carica libera in un semiconduttore in equilibrio e fuori equilibrio -Conoscenza dettagliata delle principali equazioni utilizzate per decrivere il comportamento dei materiali semiconduttori all'equilibrio e fuori equilibrio. -Capacità nell'applicare le opportune semplificazioni e approssimazioni alle equazioni dei semiconduttori nei casi di maggior interesse pratico. -Capacità di definire il diagramma a bande di una struttura a semiconduttore e di derivarne in modo qualitativo il comportamento elettrico sia all'equilibrio che fuori equilibrio. -Capacità di prevedere la distribuzione di carica nella giunzione metallo-semiconduttore. -Capacità di prevedere il comportamento elettrico (rettificante o ohmico) di una giunzione metallo-semiconduttore in base ai materiali utilizzati per la sua realizzazione. -Capacità di prevedere la distribuzione di carica nella giunzione p-n con profili di drogaggio sia uniformi sia variabili. -Capacità di correlare il comportamento fuori equilibrio di un diodo a giunzione con i principali meccanismi di trasporto di carica nella giunzione: polarizzazione diretta, inversa e rottura. -Capacità di costruire i modelli di ampio e piccolo segnale di un diodo a giunzione e di correlarli con il comportamento sperimentale -Conoscenza dei principi di funzionamento dei transistori bipolari BJT e delle equazioni che ne determinano il comportamento statico e capacità di correlarle con le caratteristiche statiche. -Capacità di costruire i modelli di ampio e piccolo segnale di un BJT e di correlarli con il comportamento sperimentale. -Conoscenza dei principi di funzionamento dei transistori a effetto di campo FET. -Conoscenza dettagliata dei sistemi MOS in termini di distribuzione di carica nelle diverse regioni di funzionamento: svuotamento, debole e forte inversione e accumulo -Conoscenza del comportamento statico di MOSFET a canale lungo e dei principali effetti che si presentano con lunghezze di canale ridotte. -Capacità di costruire i modelli di ampio e piccolo segnale di un MOSFET e di correlarli con il comportamento sperimentale. -Conoscenza dei dispositivi a gate flottante utilizzati nelle memorie non volatili -Conoscenza dei principali processi tecnologici per i semiconduttori -Abilità di valutare dai parametri di processo i profili di drogaggio e gli spessori degli strati nei processi per semiconduttori -Abilità di padroneggiare le principali problematiche legate allo scalamento dei dispositivi a semiconduttore
-Knowledge of the main electronic properties of solids with particular attention to semiconductors -Knowledge of the properties of a semiconductor in equilibrium -Knowledge of the main transport parameters of electron and holes in a semiconductor -Ability to evaluate equilibrium and out-of equilibrium concentrations in a semiconductor -Detailed knowledge of the main equations used to describe the behaviour of semiconductors in equilibrium and out of equilibrium -Capability to apply the required simplifications and approximations to the semiconductor equations in the practically more important cases -Capability to define the band diagram in a semiconductor structure and to derive qualitatively its electrical behaviour, both in equilibrium and out of equilibrium -Knowledge of the charge density distribution in a metal-semiconductor junction -Basic knowledge of metal-semiconductor junctions and of their rectifying or ohmic behaviour; -Knowledge of the charge density distribution in a p-n junction for doping profiles both uniform and position dependent -Capability to relate the off-equilibrium behaviour of a junction diode to the main charge transport phenomena: forward and reverse bias, breakdown -Capability to derive the large and small-signal models of a junction diode, and to relate them to the experimental behaviour -Knowledge of the operating principle of bipolar junction transistors (BJTs) and of the equations defining their static behaviour, and capability to relate them to the static characteristics -Capability to derive the large and small-signal models of a BJT, and to relate them to the experimental behaviour -Knowledge of the operating principle of field effect transistors (FETs) -Detailed knowledge of MOS systems in terms of charge distribution in the various operating regions: depletion, weak and strong inversion, accumulation -Knowledge of the long channel MOSFET static behaviour, and of the main effects taking place for short channel lengths -Capability to derive the large and small-signal models of a MOSFET, and to relate them to the experimental behaviour -Knowledge of the main technological processes in a semiconductor -Ability to evaluate from process parameters doping profiles and film thicknesses in a semiconductor process -Ability to master the main issues concerning the semiconductor downscaling. -Ability to use and interpret the results of simple programs for the simulation of semiconductor junctions, and compare to analytical model results.
Buona conoscenza dei concetti di base della fisica dello stato solido: descrizione a bande di energia e distribuzione dei portatori di carica. Conoscenza approfondita delle principali grandezze che descrivono i materiali di interesse elettronico quali conducibilita', costante dielettrica e loro dipendenza dalle condizioni di utilizzo: temperatura, frequenza. Conoscenza dei fondamenti dell'elettrotecnica per la comprenzione dei modelli elettrici equivalenti utilizzati nella descrizione dei dispositivi a semiconduttore.
Knowledge of basic elements of chemistry and solid state physics. Detailed knowledge of the main quantities describing materials of interest in electronics, such as conductivity dielectric constant and their dependence on operating conditions: temperature and frequency. Knowledge of circuit theory basics for the understanding of the equivalent electrical models used for the description of semiconductor devices.
-Introduzione alla fisica dei semiconduttori [2 cfu]: Solidi: comportamento elettronico, struttura a bande; Semiconduttori: elettroni e lacune, densità degli stati e statistica; Semiconduttori in equilibrio; Semiconduttori fuori equilibrio: trasporto e generazione-ricombinazione (GR); Trasporto nei semiconduttori: fenomeni di urto, mobilità, velocità di saturazione; Trasporto nei semiconduttori: diffusione, diffusività, relazione di Einstein; GR: diretta e assistita da trappole. Approssimazione di tempo di vita; Diagrammi a bande semiconduttori drogati e calcolo delle concentrazioni dei portatori. -Semiconduttori e giunzioni [2 cfu]: Equazioni di Schockley; Fenomeni di conduzione nei semiconduttori: trascinamento e diffusione; Modello matematico dei semiconduttori; Applicazione del modello matematico ad alcuni casi significativi di semiconduttori fuori equilibrio; Giunzione metallo-semiconduttore all’equilibrio: diagramma a bande e studio elettrostatico; Effetto della tensione applicata sulla giunzione metallo-semiconduttore: comportamento ohmico o rettificante, variazione della carica di svuotamento e Capacità di svuotamento; Giunzione p-n all'equilibrio: diagramma a bande e studio elettrostatico; Effetto della tensione applicata sulla giunzione p-n: variazione della carica di svuotamento e Capacità di svuotamento; Metodo di misura del potenziale di contatto nelle giunzioni basato su 1/C^2; Quasi livelli di Fermi e legge della giunzione; Correnti nella giunzione e valutazione del modello statico; Distribuzione delle correnti in polarizzazione diretta e inversa; Effetto delle resistenze serie sulle caratteristiche statiche; Tensione di accensione del diodo; Meccanismi di rottura della giunzione; Modello a controllo di carica e Capacità di diffusione; Derivazione del modello di ampio segnale e di piccolo segnale del diodo a giunzione. -Transistore bibpolare [2 cfu]: Generalità sui transistori; Meccanismi di funzionamento del transistore bipolare BJT; Correnti e parametri caratteristici del BJT in regione attiva diretta; Calcolo delle concentrazioni dei portatori nelle regioni di emettitore, base e collettore; Derivazione delle equazioni di Ebers Moll e modello statico; BJT nelle regioni attiva inversa, saturazioned interdizione; Caratteristiche statiche e modello di piccolo segnale del BJT. -Transistori MOS a effetto di campo [2 cfu]: Sistemi MOS: diagramma a bande all'equilibrio e valutazione degli effetti della tensione applicata; Fenomeno dell'inversione di popolazione; Derivazione della carica totale nel semiconduttore al variare delle tensione applicata; Sistemi MOS in forte inversione e calcolo della tensione di soglia; Sistemi CMOS: il transistore MOSFET a canale n e a canale p; Analisi a canale graduale del MOSFET; Modello statico del MOSFET a canale lungo in regione quadratica e di saturazione; Effetto di substrato; Modello di ampio e piccolo segnale del MOSFET; Effetti di canale corto nei MOSFET. -Introduzione alla tecnologia dei semiconduttori [2 cfu]: Principi di tecnologia dei semiconduttori: crescita del cristallo, epitassia, processi di drogaggio, crescita di film e ossidazione, deposizione di strati metallici, attacco chimico; fotolitografia, circuiti integrati bipolari, circuiti integrati a MOS; Evoluzione della tecnologia dei semiconduttori: scalamento e legge di Moore; cenni ai semiconduttori composti.
-Introduction to semiconductor physics [1.5 cfu] Solids: electronic behaviour, band structure; Semiconductors: electrons and holes, density of states and statistics; Semiconductors in equilibrium; Semiconductors out of equilibrium: transport and generation-recombination (GR); Transport in semiconductors: scattering, mobility, saturation velocity; diffusion, diffusivity, Einstein relationship; GR: direct, trap assisted. Lifetime approximation; Doped semiconductor band diagrams, calculation of the free carrier concentrations - Semiconductors and semiconductor junctions [1.5 cfu]: Shockley equations; Conduction in semiconductors: drift and diffusion; Mathematical model of semiconductors; Applications of the mathematical model to some significant examples of off equilibrium semiconductors; Basic knowledge of metal-semiconductor junctions and of their rectifying or ohmic behaviour; Equilibrium p-n junction: band diagram and electrostatics; Effect of the applied bias to a p-n junction: depletion charge variation and depletion capacitance; Quasi Fermi levels and junction law; Junction currents and static model evaluation; Diode turn on voltage; Junction breakdown effects; Charge control model and diffusion capacitance; Large- and small-signal junction diode model derivation - Bipolar transistors [1.5 cfu]: Introduction to transistors; Operating principle of the bipolar transistor BJT; Currents and main parameters of the BJT in forward operation; Carrier concentration calculation in the base and collector; Ebers-Moll equations derivation and static model; BJT in reverse operation, saturation and cutoff; BJT small-signal characteristics and model - Field-effect MOS transistors [1 cfu]: MOS system: equilibrium band diagram and effects of the applied bias; Population inversion; Calculation of the semiconductor total charge as a function of bias; Strong inversion MOS systems and threshold voltage calculation; CMOS systems: n channel and p channel MOSFETs; MOSFET gradual channel analysis; Long channel static MOSFET model in the quadratic region and in saturation; Substrate effect; Large and small-signal MOSFET model; MOSFET short channel effects. - Semiconductor technology [0.5 cfu]: Principles of semiconductor technology: crystal growth, epitaxy, doping processes, film growth and oxidation, metal deposition, etching; photolitography, bipolar integrated circuits, MOS integrated circuits; Semiconductor technology evolution: scaling down, Moore’s law, compound semiconductor basics. -Introduction to semiconductor devices simulation: theoretical foundation of semiconductor physical modelling and numerical lab (MATLAB implementation of semianalytical models of pn junctions and MOS systems ) [1cfu]. Simulation CAD lab [1 cfu]: Use of semiclassical 1D numerical simulators provided by the instructors under equilibrium and non-equilibrium conditions and comparison with analytical models.
Le esercitazioni in aula permetteranno agli studenti di applicare in modo quantitativo le equazioni ricavate a lezione su strutture a semiconduttore che abbiano una forte correlazione con dispositivi reali.
Practice classes will allow the students to quantitatively apply the equations derived in class on semiconductor structures strictly related to realistic devices.
Le lezioni faranno ricorso alla lavagna connessa al sistema di videoproiezione, tutto il materiale prodotto messo a disposizione sul portale della didattica. Gli esercizi sono discussi e risolti in aula. Si forniranno esercizi a casa per l’autovalutazione e la preparazione dell’esame finale. I libri di testo consigliati sono: Ben Streetman, Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices (6th Edition), Prentice Hall G. Ghione, Dispositivi per la microelettronica, McGraw 1998
Lectures will exploit the projector so that all the produced materials will be made available on the course website. Exercises are discussed and solved in room. Homework exercises are also provided in .pdf format for self-learning and preparation of the final exam. Suggested references are: Ben Streetman, Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices (6th Edition), Prentice Hall G. Ghione, Dispositivi per la microelettronica, McGraw 1998 (in Italian) F. Bonani, G. Piccinini, Electronic Devices, CLUT 2020
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
L’esame consiste in una parte teorica e di una parte relativa agli esercizi numerici. La parte teorica consiste in un insieme di domande scritte di teoria (selezionate da un insieme di domande rese disponibili sul sito web del corso) seguita da una prova orale, e pesa 18/30. Gli esercizi numerici (analoghi a quelli svolti nelle esercitazioni numeriche in aula) sono svolti in forma scritta e pesano 12/30; nell’ambito della prova orale possono essere discussi. La prova orale è svolta di norma nello stesso giorno della prova scritta o in giorni immediatamente seguenti.
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group project;
The exam consists of a written theoretical part and a written part relating to the solution of numerical problems, followed by a short oral part. 2/8 credit score will be allocated to a CAD project (see below). Both the written and the oral test will be done in a Virtual Classroom. The aim of the written theoretical part is to check the student's knowledge of the subjects explained in the lectures. The aim of the numerical problem part is to test that the student is able to apply the theory to a set of numerical problems. 1 - Theory: The theoretical part (duration 1h) consists of a set of written questions of theory (selected from a set of questions made available on the course website, both open and multiple choice questions are present) and weighs 15/30. 2 - Problems: Written numerical problems (similar to those performed in classroom exercises) are the object of a second part of the written test (duration 1h) with weight 15/30. The two parts of the written test are performed consecutively. During the solution of the numerical problems, students can keep a formula sheet (two A4 sides) that they can fill with whatever info they wish; a formula sheet prepared by the teacher (available on the course website) is also distributed. The two parts of the written test will be carried out in presence in one or more Virtual Classrooms in series or parallel, if possible in the slot officially allocated to the call. 3 – Oral: The oral test (approximately 15 m) typically includes theory and numerical problems, using as a starting point the discussion of the written test. Students are admitted to the oral if they pass both parts of the written test. The purpose of the oral part is to test the student's ability to explain in a coherent way, at least according to the main lines, the subjects discussed in the course. Often, in the oral test the student is requested to explain or justify parts of the written test that have been done poorly. The final mark is proposed after the oral part and may correct (+/-) the result from the written test. The oral examination is normally taken on the same day of the written test or in the following days. The oral will be in a Virtual Classroom according to a schedule to be specified after the written test. The above tests will cover 6/8 credits, the last 2 credits will be allocated to a group project report consisting in the development and discussion of a simulation code, following the program proposed in the CAD labs during the course.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff; Group project;
The exam consists of a written theoretical part and a written part relating to the solution of numerical problems, followed by a short oral part. 2/8 credit score will be allocated to a CAD project (see below). Both the written and the oral test will be done in a Virtual Classroom. The aim of the written theoretical part is to check the student's knowledge of the subjects explained in the lectures. The aim of the numerical problem part is to test that the student is able to apply the theory to a set of numerical problems. 1 - Theory: The theoretical part (duration 1h) consists of a set of written questions of theory (selected from a set of questions made available on the course website, both open and multiple choice questions are present) and weighs 15/30. 2 - Problems: Written numerical problems (similar to those performed in classroom exercises) are the object of a second part of the written test (duration 1h) with weight 15/30. The two parts of the written test are performed consecutively. During the solution of the numerical problems, students can keep a formula sheet (two A4 sides) that they can fill with whatever info they wish; a formula sheet prepared by the teacher (available on the course website) is also distributed. The two parts of the written test will be carried out in presence in one or more Virtual Classrooms in series or parallel, if possible in the slot officially allocated to the call. 3 – Oral: The oral test (approximately 15 m) typically includes theory and numerical problems, using as a starting point the discussion of the written test. Students are admitted to the oral if they pass both parts of the written test. The purpose of the oral part is to test the student's ability to explain in a coherent way, at least according to the main lines, the subjects discussed in the course. Often, in the oral test the student is requested to explain or justify parts of the written test that have been done poorly. The final mark is proposed after the oral part and may correct (+/-) the result from the written test. The oral examination is normally taken on the same day of the written test or in the following days. The oral will be in a Virtual Classroom according to a schedule to be specified after the written test. The above tests will cover 6/8 credits, the last 2 credits will be allocated to a group project report consisting in the development and discussion of a simulation code, following the program proposed in the CAD labs during the course.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff; Group project;
The exam consists of a written theoretical part and a written part relating to the solution of numerical problems, followed by a short oral part. 2/8 credit score will be allocated to a CAD project (see below). Both the written and the oral test will be done in a Virtual Classroom. The aim of the written theoretical part is to check the student's knowledge of the subjects explained in the lectures. The aim of the numerical problem part is to test that the student is able to apply the theory to a set of numerical problems. 1 - Theory: The theoretical part (duration 1h) consists of a set of written questions of theory (selected from a set of questions made available on the course website, both open and multiple choice questions are present) and weighs 15/30. 2 - Problems: Written numerical problems (similar to those performed in classroom exercises) are the object of a second part of the written test (duration 1h) with weight 15/30. The two parts of the written test are performed consecutively. During the solution of the numerical problems, students can keep a formula sheet (two A4 sides) that they can fill with whatever info they wish; a formula sheet prepared by the teacher (available on the course website) is also distributed. The two parts of the written test will be carried out in presence in one or more Virtual Classrooms in series or parallel, if possible in the slot officially allocated to the call. 3 – Oral: The oral test (approximately 15 m) typically includes theory and numerical problems, using as a starting point the discussion of the written test. Students are admitted to the oral if they pass both parts of the written test. The purpose of the oral part is to test the student's ability to explain in a coherent way, at least according to the main lines, the subjects discussed in the course. Often, in the oral test the student is requested to explain or justify parts of the written test that have been done poorly. The final mark is proposed after the oral part and may correct (+/-) the result from the written test. The oral examination is normally taken on the same day of the written test or in the following days. The oral will be in a Virtual Classroom according to a schedule to be specified after the written test. The above tests will cover 6/8 credits, the last 2 credits will be allocated to a group project report consisting in the development and discussion of a simulation code, following the program proposed in the CAD labs during the course.
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