La duttilità dei dispositivi elettronici a semiconduttore ne ha garantito un utilizzo pervasivo in moltissimi campi di utilizzo. Le proprietà elettroniche dei dispositivi possono essere adattate allo specifico campo di applicazione facendo ricorso sia alle proprietà dei materiali semiconduttori, sia alla struttura tecnologica dei singoli dispositivi. Diventa quindi indispensabile saper correlare le proprietà elettroniche dei principali materiali con i meccanismi di funzionamento dei dispositivi. In questo scenario l’insegnamento di Dispositivi Elettronici fornirà gli strumenti che permetteranno agli studenti di comprendere le relazioni esistenti tra modelli fisici a livello microscopico ed i modelli elettrici a livello circuitale delle strutture a semiconduttore maggiormente utilizzate in ambito ingegneristico. L’insegnamento cercherà quindi di fornire un ampio insieme di competenze teoriche utilizzate nelle esercitazioni in aula per garantirne una corretta percezione quantitativa, e nei laboratori per permettere una corretta interpretazione dei risultati ottenuti tramite simulazioni sia a livello fisico sia elettrico dei principali dispositivi a semiconduttore. 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, nell'insegnamento di Circuiti Elettronici.

-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 che descrivono l’interazione tra la luce e la giunzione a semiconduttore e delle loro possibili applicazioni (fotodiodo, cella fotovoltaica, LED) -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.

L'insegnamento presuppone una buona conoscenza dei concetti di base della elettrostatica, in particolare la legge di Gauss e quella di Poisson. 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.

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 -Principi di base che descrivono l’interazione tra la luce e la giunzione a semiconduttore e delle loro possibili applicazioni (fotodiodo, cella fotovoltaica, LED) -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.

L’insegnamento consiste di lezioni teoriche, di esercitazioni in aula, e di alcuni laboratori di simulazione. 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 laboratori di simulazione, condotti sia con simulatori fisici sia circuitali, permetteranno agli studenti di meglio comprendere i modelli ricavati a teoria e le loro limitazioni, oltre a verificare il funzionamento a livello elettrico di alcuni semplici circuiti.

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

Slides; Libro di testo; Esercizi; Esercizi risolti; Video lezioni tratte da anni precedenti;

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

Exam: Written test; Compulsory oral exam;

... 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. Durante la prova scritta è consentito l'uso del formulario fornito dai docenti e stampato a cura dello studente. Il voto finale viene determinato tenendo conto della prova scritta, della prova orale, e, se il risultato è sufficiente, delle relazioni di laboratorio (che hanno carattere volontario). Il voto combinato di scritto e orale ha un valore massimo pari a 30/30 e lode. -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 nell'insegnamento e potrà includere la discussione dello scritto. Gli argomenti di teoria oggetto della prova orale sono elencati nel Programma dell’insegnamento. Le competenze acquisite durante i laboratori di simulazione faranno parte della prova orale. Di norma la parte orale dell’esame va sostenuta nell’appello in cui si è superato lo scritto. -Relazioni di laboratorio (volontarie): Le attività di laboratorio vengono valutate sulla base delle relazioni individuali, che devono essere consegnate entro la data del primo appello d'esame. La valutazione delle relazioni contribuirà con un punteggio additivo (in trentesimi) compreso tra -2 e +2. Tale punteggio viene sommato al valore ottenuto con la prova scritta e orale come precedentemente descritto.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.