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Anno Accademico 2012/13
04LTHOD
Electronic devices
Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Ghione Giovanni ORARIO RICEVIMENTO PO ING-INF/01 70 30 0 0 12
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
FIS/03
ING-INF/01
2
6
A - Di base
B - Caratterizzanti
Fisica e chimica
Ingegneria elettronica
Presentazione
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.
Risultati di apprendimento attesi
-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
Prerequisiti / Conoscenze pregresse
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.
Programma
Argomenti trattati nelle lezioni:
-Introduzione alla fisica dello stato solido
-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
-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
-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
-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
-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
-Principi di tecnologia dei semiconduttori: crescita del cristallo, epitassia, processi di drogaggio, crescita di film e ossidazione, deposizione di strati metallici, attacco chimico
-Tecnologia dei semiconduttori: fotolitografia, circuiti integrati bipolari, circuiti integrati a MOS
-Evoluzione della tecnologia dei semiconduttori: scalamento e legge di Moore
-Tecnologia dei semiconduttori: cenni ai semiconduttori composti
Organizzazione dell'insegnamento
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.
Testi richiesti o raccomandati: letture, dispense, altro materiale didattico
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
Criteri, regole e procedure per l'esame
L’esame è uno scritto con 18/30 domande (aperte e a scelta multipla), 12/30 problemi numerici. Il massimo risultato ottenibile con lo scritto è pari a 30/30. Un esame orale è richiesto per accedere al 30 e lode.
Altre informazioni

La necessità di avere come prerequisiti alcuni concetti di fisica dei materiali per l'elettronica che vengono erogati nel corso di Fisica II richiede lo svolgimento delle lezioni del corso di Dispositivi a valle di almeno 2 settimane nelle quali gli slot orari di Dispositivi saranno utilizzati dal corso di Fisica II.
La ripartizione indicativa delle ore potrebbe essere:
WK1-2 FISII 8*1.5 DISP 0
WK3-10 FISII 2*1.5 DISP 6*1.5
WK11-14 FISII 2*1.5 DISP 5*1.5
TOT 60 102
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2012/13
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