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Dispositivi elettronici
05APMOD
A.A. 2020/21
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 45 |
| Esercitazioni in aula | 15 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bonani Fabrizio | Professore Ordinario | IINF-01/A | 45 | 0 | 0 | 0 | 15 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ING-INF/01 | 6 | B - Caratterizzanti | Ingegneria elettronica |
|---|
2020/21
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 a partire dalle conoscenze di fisica dello stato solido, conduce lo studente a comprendere strutture circuitali complesse in ambito sia analogico sia digitale.
In particolare le competenze acquisite nell'insegnamento di Dispositivi Elettronici saranno direttamente applicate, a livello sia teorico sia sperimentale, nel corso di Circuiti Elettronici.
The course is mandatory for the Laurea degrees in Electronic Engineering and Physical Engineering, and it is the first element of the chain that, starting from solid-state physics, leads the student to understand both analogue 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 dettagliata delle principali equazioni utilizzate per descrivere il comportamento dei materiali semiconduttori all'equilibrio e fuori equilibrio.
-Capacità di 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 derivare dal diagramma a bande, in modo qualitativo, il comportamento elettrico della struttura sia all'equilibrio che fuori equilibrio.
-Capacità di prevedere la distribuzione di carica nella giunzione p-n in presenza di 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 base della conversione fotovoltaica di energia mediante strutture a semiconduttore
-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 ad effetto di campo FET.
-Conoscenza dettagliata dei sistemi MOS in termini di distribuzione di carica nelle diverse regioni di funzionamento:
svuotamento, debole inversione, 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.
-Detailed knowledge of the main electronic properties of solids with particular attention to semiconductors at and out of equilibrium
-Capability to apply the relevant simplifications and approximations to the semiconductoir equations in the practically most important cases.
- Capability to draw the band diagram of a semiconductor structure and to derive from it the qualitative electrical behaviour, both at equilibrium and out of equilibrium
-Knowledge of the properties of a semiconductor in equilibrium
-Knowledge of the main transport parameters of electron and holes 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
-Capability to foresee the charge distrinution in a p-n junction for uniform and nonuniform doping profiles.
-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
-Knowldege of the basic principles of photovoltaic conversion by means of semiconductor structures
-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 floating gate devices used in non-volatile memories
Il corso presuppone una buona conoscenza dei concetti di base della fisica dello stato solido, in particolare la descrizione a bande di energia e la distribuzione dei portatori di carica in un materiale cristallino. Inoltre, si assume la conoscenza approfondita delle principali grandezze che descrivono i materiali di interesse elettronico quali conducibilità elettrica, costante dielettrica e loro dipendenza dalle condizioni di utilizzo: temperatura, frequenza. Infine, si presuppone la conoscenza dei fondamenti dell'elettrotecnica per la comprensione dei modelli elettrici equivalenti utilizzati per la descrizione dei dispositivi a semiconduttore.
The course assumes a good knowledge of solid state physics basics, in particular energy bands and charged carrier distributions in a crystalline material. Furthermore, a detailed knowledge is assumed for the main quantities describing materials of interest in electronics, such as electrical conductivity, dielectric constant and their dependence on operating conditions: temperature and frequency. Finally, the course requires the knowledge of circuit theory basics for the understanding of the equivalent electrical models used for the description of semiconductor devices.
Argomenti trattati nelle lezioni:
-Diagrammi a bande di semiconduttori drogati e calcolo delle concentrazioni dei portatori
-Equazioni di Shockley
-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 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 sulla caratterizzazione capacità/tensione
-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
-Concetto di tensione di accensione del diodo
-Meccanismi di rottura elettrica 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
-Uso dellq giunzione pn per la conversione fotovoltaica
-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, saturazione ed interdizione
-Caratteristiche statiche e modello di piccolo segnale del BJT
-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 della 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
-Dispositivi a gate flottante e loro applicazioni nelle memorie non volatili.
The topics discussed during the course are:
-Doped semiconductor band diagrams and evaluation of carrier concentrations
-Shockley equations
-Electrical conduction in sewmiconductors: drift and diffusion
-Mathematical model of semiconductors
-Applications of the mathematical model to some significant examples of off equilibrium semiconductors
-Equilibrium p-n junction: band diagram and electrostatics
-Effect of an applied bias to a p-n junction: depletion charge variation and depletion capacitance
-Measurement of the junction built in voltage based on the voltage/capacitance characterization
-Quasi Fermi levels and junction law
-Junction currents and static model evaluation
-Current distribution in forward and reverse bias
-Impact of the series resistance on the static characteristics
-Diode turn on voltage concept
-Junction breakdown effects
-Use of the pn junction for photovoltaic conversion
-Operating principle of the bipolar transistor BJT
-Currents and main parameters of the BJT in forward operation
-Carrier concentration calculation in the emitter, base and collector regions
-Ebers-Moll equations derivation and static model
-BJT in reverse operation, saturation and cutoff
-BJT static and small-signal characteristics model
-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
-Floating gate devices and their applications in non-volatile memories
L’insegnamento consiste di lezioni teoriche e di esercitazioni in aula.
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. I risultati ottenuti saranno messi a confronto con le caratteristiche di componenti commerciali.
Theoretical lectures and practice classes are used in the course.
Practice classes will allow the students to quantitatively apply the equations derived in class on semiconductor structures strictly related to realistic devices. The obtained results are compared to the characteristics of commercial devices.
I testi, scelti tra quelli elencati, saranno comunicati a lezione dal docente titolare dell'insegnamento'
Le lezioni e le esercitazioni faranno ricorso alla lavagna connessa al sistema di videoproiezione in modo che tutto il materiale prodotto in aula possa essere trasformato in file pdf e reso disponibile sul portale della didattica.
I libri di testo consigliati sono:
F. Bonani, G. Piccinini, Electronic devices, CLUT, 2019
S. M. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli, 1991
G. Masera, C. Naldi, G. Piccinini, Introduzione all'analisi dei dispositivi a semiconduttore, Ed. Hoepli, 1995.
F. Bonani, G. Masera, S. Donati Guerrieri e G. Piccinini Dispositivi e Tecnologie elettroniche CLUT 2007.
G. Ghione Dispositivi per la Microelettronica McGraw-Hill 1998
The reference books, chosen among the following ones, will be introduced by the professor responsible for the course.
Lectures and practice classes will exploit the projection system so that all the produced material will be made available on the course website as pdf files.
Suggested reference books are:
F. Bonani, G. Piccinini, Electronic devices, CLUT, 2019
S. M. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli, 1991
G.Masera, C.Naldi, G.Piccinini, Introduzione all'analisi dei dispositivi a semiconduttore, Ed. Hoepli, 1995.
F. Bonani, G.Masera, S. Donati Guerrieri e G. Piccinini Dispositivi e Tecnologie elettroniche CLUT 2007.
G.Ghione Dispositivi per la Microelettronica McGraw-Hill 1998
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel Programma dell’insegnamento e la capacità di applicare tali conoscenze alla soluzione di esercizi. L'esame consta di una prova scritta, della durata di 2 ore, e di una prova orale obbligatoria, alla quale si accede con voto dello scritto maggiore o uguale a 18/30. Il voto finale viene determinato tenendo conto sia della prova scritta che della prova orale.
-Prova scritta (peso 0.5): è costituita da due esercizi di valore indicativamente equivalente, uno più orientato all'applicazione quantitativa delle equazioni studiate e rese disponibili allo studente tramite un 'formulario', il secondo più orientato a mettere in luce le capacità di analisi acquisite dallo studente;
-Prova orale (peso 0.5): per accedere all’orale i candidati devono riportare una votazione dello scritto maggiore o uguale a 18/30. L’orale è rivolto ad accertare una adeguata conoscenza della teoria discussa nel corso e potrà includere la discussione dello scritto. Gli argomenti di teoria oggetto della prova orale sono elencati nel Programma dell’insegnamento.
Di norma la parte orale dell’esame va sostenuta nell’appello in cui si è superato lo scritto.
Exam: Compulsory oral exam; Computer-based written test using the PoliTo platform;
The goal of the examination is to verify the knowledge of the topics listed in the Contents section and the capability to apply them to exercise solution. The exam is made of a 2 hour written test and of a compulsory oral examination. Access to the oral examination requires a grade for the written examination at least equal to 18/30. The final grade is obtained combining both the written and oral part partial.
-Written test (weight 0.5): consists of two exercises with approximately the same value, one mainly oriented to the quantitative application of the equations introduced during the lectures and made available to the student through a "list of formulae", the second exercise is mainly devoted to assess the analysis capabilities acquired by the student;
-Oral test (weight 0.5): to gain access to the oral test the students must have gained an evaluation of the written test at least equal to 18/30. The oral examination is devoted to the assessment of a proper knowledge of the theory discussed during the lectures and will possibly include the discussion of the written test. The theoretical topics that may be discussed during the oral test are listed in the Contents section. Normally the oral test has to be taken right after the results of the written test are provided.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel Programma dell’insegnamento e la capacità di applicare tali conoscenze alla soluzione di esercizi. L'esame consta di una prova scritta, della durata di 2 ore, e di una prova orale obbligatoria, alla quale si accede con voto dello scritto maggiore o uguale a 18/30. Il voto finale viene determinato tenendo conto sia della prova scritta che della prova orale.
-Prova scritta (peso 0.5): è costituita da due esercizi di valore indicativamente equivalente, uno più orientato all'applicazione quantitativa delle equazioni studiate e rese disponibili allo studente tramite un 'formulario', il secondo più orientato a mettere in luce le capacità di analisi acquisite dallo studente;
-Prova orale (peso 0.5): per accedere all’orale i candidati devono riportare una votazione dello scritto maggiore o uguale a 18/30. L’orale è rivolto ad accertare una adeguata conoscenza della teoria discussa nel corso e potrà includere la discussione dello scritto. Gli argomenti di teoria oggetto della prova orale sono elencati nel Programma dell’insegnamento.
Di norma la parte orale dell’esame va sostenuta nell’appello in cui si è superato lo scritto.
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Computer-based written test using the PoliTo platform;
The goal of the examination is to verify the knowledge of the topics listed in the Contents section and the capability to apply them to exercise solution. The exam is made of a 2 hour written test and of a compulsory oral examination. Access to the oral examination requires a grade for the written examination at least equal to 18/30. The final grade is obtained combining both the written and oral part partial.
-Written test (weight 0.5): consists of two exercises with approximately the same value, one mainly oriented to the quantitative application of the equations introduced during the lectures and made available to the student through a "list of formulae", the second exercise is mainly devoted to assess the analysis capabilities acquired by the student;
-Oral test (weight 0.5): to gain access to the oral test the students must have gained an evaluation of the written test at least equal to 18/30. The oral examination is devoted to the assessment of a proper knowledge of the theory discussed during the lectures and will possibly include the discussion of the written test. The theoretical topics that may be discussed during the oral test are listed in the Contents section. Normally the oral test has to be taken right after the results of the written test are provided.