DISPOSITIVI ELETTRONICI

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di comprendere il funzionamento e le caratteristiche principali dei componenti elettronici fondamentali realizzati in silicio. Sarà anche in grado di ricavarne i modelli e utilizzarli sia per la valutazione della polarizzazione che per l’analisi in regime di piccolo segnale.

Lo studente sarà anche capace di discernere quali caratteristiche costruttive (di processo o di progetto) influenzano le prestazioni dei componenti che saranno trattati nel corso e acquisirà competenze che gli permetteranno di analizzare passi di fabbricazione fondamentali per la realizzazione dei dispositivi in tecnologia integrata.

1. Conoscenza e comprensione: lo studente sarà in grado di comprendere le modalità di realizzazione e i princìpi di funzionamento dei dispositivi elettronici (diodi, BJT, MOSFET).

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: lo studente sarà in grado sia di ricavare i modelli di funzionamento di dispositivi a semiconduttore, sia di linearizzare tali modelli quando il componente è utilizzato in circuiti elettronici semplici. Sarà, altresì, in grado di simulare, implementare e testare i circuiti elettronici, dapprima, modellizzati con tool di simulazione open source e, in seguito, montati su breadboard e caratterizzati mediante strumentazione da laboratorio.

3. Autonomia di giudizio: lo studente sarà in grado di valutare, in piena autonomia, se eventuali dispositivi soddisfino i requisiti richiesti per le applicazioni su cui si lavora e operare le scelte necessarie al fine di adattare il dispositivo all’applicazione stessa.

4. Abilità comunicative e Capacità di apprendimento: A completamento del corso ci si attende che lo studente acquisirà la capacità di veicolare ai propri interlocutori, in modo chiaro e compiuto, le conoscenze acquisite e sarà anche in grado di rielaborare le conoscenze per estenderle a situazioni non esplicitamente trattate, essendo anche in grado di apprendere in autonomia.

L’insegnamento viene svolto tramite lezioni di didattica frontale e attività laboratoriali. Circa metà delle lezioni è dedicato a esercitazioni numeriche, al simulatore e esperienze di laboratorio condotte in presenza.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Si richiede una buona conoscenza dei contenuti di Analisi Matematica I con particolare riferimento agli strumenti matematici di base (limiti, derivate e integrali) e alle tecniche di studio delle funzioni. Sono altresì richieste le conoscenze dei contenuti di Fisica I e Fisica II per quanto riguarda le tecniche di analisi e modellistica dei fenomeni fisici e la conoscenza delle principali grandezze elettriche. Ulteriori argomenti, quali metodi di analisi di circuiti lineari nel dominio del tempo e della frequenza (impartiti nell’insegnamento di Elettrotecnica), possono essere di valido aiuto nella comprensione della materia.

La frequenza è fortemente consigliata. Durante le lezioni verrà registrata e monitorata la presenza dello studente al fine dell’accesso alle prove in itinere e per la valutazione finale.

Elementi di fisica dei semiconduttori

Corrente di deriva. Coefficiente di mobilità. Legge di Ohm. Il silicio come semiconduttore. Elettroni e lacune. Campo e potenziale elettrico. Corrente e densità di corrente. Agitazione termica di elettroni e lacune. Concentrazione intrinseca. Semiconduttori drogati. Tipi di drogaggio e loro effetti. Mobilità nei semiconduttori drogati. Equilibrio termico e legge dell'azione di massa. Legge della neutralità di carica. Processi di generazione/ricombinazione e iniezione di portatori. Bassi e alti livelli di iniezione. Transitorio di ricombinazione. Processi di diffusione. Corrente di diffusione. Relazione di Einstein. Equazione di continuità (legge di conservazione della carica). Carica iniettata e profilo dei portatori minoritari. Potenziale in un materiale a concentrazione non uniforme. Equazioni di Boltzmann. Potenziale di Fermi.

Diodi

Giunzione pn. Regione di carica spaziale. Analisi della giunzione a gradino: campo elettrico, potenziale, larghezza della regione svuotata. Analisi della giunzione lineare: campo elettrico, potenziale, larghezza della regione svuotata. Giunzione pn fuori dall'equilibrio: barriera di potenziale e flussi di portatori in polarizzazione diretta e inversa. Portatori al contorno della regione svuotata. Diodo a base lunga: profilo dei portatori minoritari, densità di correnti. Diodo a base corta: profilo dei portatori minoritari, densità di correnti, tempi di transito. Caratteristica corrente-tensione della giunzione pn. Effetti di secondo ordine: bassi ed alti livelli di iniezione. Dipendenza dalla temperatura. Effetti capacitivi: capacità di svuotamento, capacità di diffusione. Rottura della giunzione e diodi Zener. Giunzioni metallo-semiconduttore: diodi Schottky e contatti ohmici. Modelli circuitali statici. Analisi di piccolo segnale. Modello di piccolo segnale per bassa frequenza. Modello di piccolo segnale per alta frequenza.

Transistore bipolari

Tipi di transistori: npn e pnp. Transistore in equilibrio. Regioni di funzionamento. Analisi del transistore bipolare in regione attiva diretta. Amplificazione di corrente nella configurazione a base comune. Efficienza di emettitore. Fattore di trasporto in base. Amplificazione di corrente nella configurazione a emettitore comune. Legami funzionali corrente-tensione nel transistore bipolare: configurazione Forward e Reverse. Modello di Ebers-Moll. Semplificazione del modello di Ebers-Moll: regione di interdizione, regione attiva diretta, regione attiva inversa, regione di saturazione. Effetti di secondo ordine: effetto Early, dipendenza di bF dalla corrente di collettore. Curve caratteristiche nella configurazione ad emettitore comune. Effetti capacitivi: capacità base-emettitore, capacità base-collettore. Dipendenza dalla temperatura. Modelli di piccolo segnale per bassa frequenza. Modelli di piccolo segnale per alta frequenza. Frequenza di transizione. Effetti parassiti: resistenze distribuite e capacità di substrato.

Transistore MOS

Il condensatore MOS. Potenziale di banda piatta. Effetto della tensione gate-substrato nel condensatore MOS. Regioni di funzionamento: accumulazione, svuotamento, debole inversione, forte inversione. Potenziale di superficie e regioni di funzionamento. Tensione di soglia del condensatore MOS. Il transistore MOS: principio di funzionamento. Legami funzionali corrente-tensione nel transistore MOS: analisi del canale di conduzione espressione della corrente di drain. Regioni di funzionamento: interdizione, triodo e saturazione. Effetto body. Modulazione della lunghezza di canale. Effetti capacitivi: capacità gate-source, capacità gate-drain, capacità drain-bulk e source-bulk. Modelli di piccolo segnale per bassa frequenza. Modelli di piccolo segnale per alta frequenza.

Tecnologia planare (cenni)

Ossidazione termica. Diffusione termica. Impiantazione ionica. Deposizione di strati sottili: deposizione chimica in fase vapore, deposizione fisica in fase vapore. Trattamenti per migliorare la fetta: annealing e gettering. Fotolitografia: mascheratura, esposizione e attacco. Processo bipolare. Processo CMOS.

Per ogni singolo argomento trattato sono previste delle esperienze laboratoriali finalizzate a una migliore comprensione del funzionamento del dispositivo elettronico studiato. Tra le varie esperienze vi sono: introduzione al tool di simulazione e alla strumentazione elettronica che verrà utilizzata; caratterizzazione dei componenti passivi e il loro utilizzo in circuiti semplici (partitori di tensione e corrente, integratori e derivatori passivi del primo ordine); curva caratteristica del diodo e sua applicazione come elemento raddrizzatore, capacitore variabile e sensore di temperatura; curve caratteristiche dei transistori bipolari e MOS e loro applicazioni come interruttori comandati e amplificatori. Le attività laboratoriali sono in numero di 5.

Testo di riferimento

1.     G. Giustolisi, G. Palumbo, Introduzione ai Dispositivi Elettronici, Franco Angeli, 2005.

Testi di consultazione

2.     R. S. Muller, T. I. Kamins, Dispositivi elettronici nei circuiti integrati, Bollati Boringhieri, 1993.

3.     S. Dimitrijev, Understanding semiconductor devices, Oxford University Press, 2000.

Esame completo: L’apprendimento viene verificato attraverso un esame finale. Questo consiste in una prova scritta, della durata di 2 ore, e in un colloquio orale. La prova scritta, propedeutica al colloquio orale, consta di 5 esercizi numerici che coprono i contenuti del corso. Ad ogni domanda viene assegnato un punteggio da 0 a 6 che tiene conto della correttezza del procedimento, della chiarezza espositiva e della correttezza dei calcoli.

Gli studenti che conseguono un voto inferiore a 15 non sono ammessi al colloquio orale. Il risultato della prova scritta viene pubblicato sulla pagina principale del dipartimento. Gli studenti che avranno accumulato più di due assenze durante le esercitazioni di laboratorio avranno una limitazione sul voto finale. Il colloquio orale consta di quesiti che riguarderanno tutti gli argomenti inerenti il programma svolto.

Lo studente dovrà dimostrare adeguata comprensione, padronanza degli argomenti discussi e chiarezza espositiva. Il voto finale terrà conto sia della prova scritta che del colloquio orale.

Prove in itinere: Gli studenti con meno del 20% di assenze durante ogni modulo del corso possono accedere alla prova in itinere, costituita da una prova scritta e il relativo colloquio orale che avranno per oggetto argomenti di elementi di fisica dei semiconduttori e diodi. Se superata positivamente, la prova finale, sempre svolta tramite uno scritto e un colloquio orale,  riguarderà solamente la verifica degli argomenti inerenti i transistori bipolari e MOS.

Per entrambe le prove, la modalità di valutazione sarà identica a quella descritta per l’esame completo.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i D    SA) del proprio Dipartimento.

Dimostrare la relazione di Einstein

Dimostrare la relazione di Einstein

Ricavare l’equazione di continuità.

Data una giunzione pn, supponendo valida l’approssimazione a gradino, ricavare l’andamento del campo elettrico e del potenziale.

Ricavare la relazione corrente-tensione in un diodo a base lunga.

Dato un transistore BJT di tipo pnp, ricavare le espressioni dei profili dei portatori minoritari nella tre regioni.

Dato un transistore BJT di tipo n-p-n, ricavare l'espressione del fattore di trasporto in base.

Descrivere a cosa sia dovuto l’effetto Early nel transistore BJT.

Dato un condensatore MOS con substrato di tipo p, ricavare l'espressione della tensione di soglia.

Ricavare la relazione corrente-tensione per un transistore MOS a canale n nella regione di triodo.