The course is taught in English.

L’insegnamento, presente nell’orientamento Dispositivi e tecnologie integrate per l'elettronica e l'optoelettronica, è un’introduzione alle tecniche di simulazione numerica dei materiali e dispositivi a semiconduttore e dei loro processi tecnologici. Il corso discute la derivazione, i limiti e le problematiche d’implementazione dei principali modelli semiclassici per il trasporto elettronico nei semiconduttori (deriva-diffusione, energy balance, idrodinamico), proponendo un confronto con tecniche di simulazione diretta di tipo Monte Carlo. Un’enfasi particolare è posta sulle esercitazioni guidate in laboratorio CAD, che includono l’uso di strumenti commerciali integrati..

• Conoscenza delle principali tecniche per il calcolo della struttura elettronica dei materiali semiconduttori.
• Conoscenza dei modelli semiclassici per la simulazione fisica di dispositivi elettronici derivati dall’equazione del trasporto di Boltzmann, dei loro differenti domini d’applicazione, e delle principali tecniche numeriche necessarie alla loro implementazione.
• Conoscenza delle tecniche Monte Carlo per la simulazione del trasporto di carica in materiali semiconduttori.
• Conoscenza di un programma di simulazione di processo tecnologico.
• Capacità di usare programmi commerciali di CAD tecnologico per la simulazione fisica e di processo di dispositivi a semiconduttore.
• Capacità di usare codici Monte Carlo per la determinazione dei parametri di trasporto richiesti dai modelli semiclassici per la simulazione fisica di dispositivi.

• Elementi di fisica dello stato solido, principi della conduzione elettrica nei semiconduttori.
• Principi di funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore.
• Fondamenti di calcolo numerico.

• Richiami sulle proprietà cristalline, elettroniche e di trasporto dei materiali semiconduttori e delle loro leghe e eterostrutture. (3 h)
• Introduzione alle tecniche empiriche e ab initio per il calcolo della struttura elettronica dei semiconduttori. (7 h)
• Modelli semiclassici per il trasporto di carica nei semiconduttori: dall’equazione del trasporto di Boltzmann (BTE) ai modelli idrodinamico, energy balance, deriva-diffusione. (7 h)
• Discussione degli aspetti numerici della simulazione dei dispositivi elettronici con modelli semiclassici basati su equazioni differenziali alle derivate parziali: discretizzazione delle equazioni di Poisson e di trasporto con tecniche FEM e alle differenze finite generalizzate, schemi Scharfetter-Gummel e FEM upwind. (3 h)
• Soluzione diretta della BTE con tecniche "alle particelle": simulazione Monte Carlo del trasporto di elettroni. (10 h)
• Introduzione alla simulazione di processo. (5 h)
• Laboratori con codici Monte Carlo per la simulazione del trasporto di carica e con software commerciali integrati per la simulazione fisica di dispositivi e la simulazione di processo. (25 h)

Esercitazioni guidate in laboratorio CAD con l’uso di codici Monte Carlo per lo studio del trasporto di carica nei semiconduttori e di software commerciale per la simulazione fisica e di processo di dispositivi elettronici.

Il materiale didattico usato durante le lezioni e i laboratori è disponibile attraverso il portale della didattica. I testi di riferimento sono: M. Lundstrom, Fundamentals of carrier transport, Cambridge University Press, 2000; D. Vasileska, S. M. Goodnick, Computational Electronics, Morgan & Claypool, 2006.

L’esame finale è una prova orale della durata di 30 min circa, che verterà sia sugli argomenti trattati nella parte teorica del corso e nelle esercitazioni di simulazione, sia sulla discussione di un progetto individuale.