Politecnico di Torino
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Anno Accademico 2017/18
05APMOD
Dispositivi elettronici
Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Bonani Fabrizio ORARIO RICEVIMENTO O2 ING-INF/01 45 15 0 0 10
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-INF/01 6 B - Caratterizzanti Ingegneria elettronica
Esclusioni:
02LTH
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 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.
Risultati di apprendimento attesi
-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.
Prerequisiti / Conoscenze pregresse
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.
Programma
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.
Organizzazione dell'insegnamento
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.
Testi richiesti o raccomandati: letture, dispense, altro materiale didattico
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:
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
Criteri, regole e procedure per l'esame
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 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, 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.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2017/18
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