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.

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.

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)

In presenza

Presentazione report scritto

P.D.2-2 - Luglio