CORSO di LAUREA MAGISTRALE in

CORSO di LAUREA MAGISTRALE in INGEGNERIA ELETTRONICA
PROGRAMMA di DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI (6 CFU) D.M. 270
Titolare del Corso: Prof. Ing. Anna Gina Perri
www.dispositivielettronici.com
Obiettivo del Corso
L’obiettivo fondamentale del corso è lo studio, il progetto e la caratterizzazione dei dispositivi elettronici più
moderni e maggiormente promettenti per il futuro quali quelli, ad esempio, ad eterogiunzione, utilizzati nei
moderni sistemi elettronici per le telecomunicazioni ad alta frequenza, dei dispositivi impiegati per la
realizzazione di memorie e dei moderni dispositivi nanometrici, quantistici e su nanotubi di carbonio. Di ogni
dispositivo esaminato vengono sviluppati adeguati modelli fisici e matematici allo scopo di determinare i modelli
circuitali, comprensivi del rumore, più idonei a simularne il comportamento secondo il tipo d'applicazione.
Tale impostazione rende il corso particolarmente orientato alla progettazione dei dispositivi stessi e dei
sistemi elettronici che ne implicano l’utilizzo.
1. RICHIAMI DI ELETTRONICA QUANTISTICA
Dualismo onda-particella.
Effetto tunnel.
Livello di Fermi.
Densità degli stati disponibili.
2. RICHIAMI DI FISICA DEI SEMICONDUTTORI
Banda di valenza e banda di conduzione.
Massa efficace.
Semiconduttori intrinseci.
Ricombinazione di Shockley-Hall-Read.
Semiconduttori estrinseci.
Fenomeni di trasporto nei materiali semiconduttori:
3. ELEMENTI DI TECNOLOGIA DELL’ARSENIURO DI GALLIO
Caratteristiche del materiale e confronto con il silicio.
Tecniche d’accrescimento del cristallo.
Tecniche d’accrescimento epitassiale.
Tecniche di etching.
Tecniche di isolamento dei dispositivi.
Metallizzazioni.
4. TRANSISTORE BIPOLARE AD OMOGIUNZIONE
Richiami sull’effetto transistore.
Richiami sulle regioni di funzionamento ed equazioni di Ebers-Moll.
Cenni sugli effetti a deboli ed elevate polarizzazioni di emettitore.
Resistenza di base.
Tempo di transito nella base: effetto Webster.
Modello a controllo di carica.
Modello di Gummel-Poon.
5. I TRANSISTORI AD EFFETTO DI CAMPO
Richiami sul principio di funzionamento del JFET e MOSFET.
Tensione di banda piatta.
Effetto della polarizzazione:
• condizione di accumulazione superficiale
• di svuotamento
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• di inversione
• di svuotamento profondo.
Tensione di soglia.
Carica nell’ossido e sua influenza sulla tensione di banda piatta.
Effetti del secondo ordine nel MOSFET:
• modulazione della lunghezza del canale
• correnti sottosoglia
• effetti del canale corto sulla tensione di soglia
• effetto del corpo.
6. DISPOSITIVI DI POTENZA
Diodo Shockley.
Effetto dv/dt.
Dispositivo di commutazione bilaterale.
SCR.
Controlli di potenza con SCR.
Transistore unigiunzione e sue applicazioni.
7. ETEROGIUNZIONI
Analisi fisica e caratteristiche principali di una eterogiunzione.
Tensione di built-in ed RCS.
Eterogiunzione polarizzata.
Caratteristiche I-V e C-V di una eterogiunzione.
8. TRANSISTORE BIPOLARE ad ETEROSTRUTTURA: HBT
Principio di funzionamento e confronto con il BJT.
Caratteristiche I-V dell’HBT.
Circuiti equivalenti per grandi e piccoli segnali.
Tecnologia BiCMOS
9. FET in GaAs/AlGaAs e composti III-V: MESFET ed HEMT
Principio di funzionamento del MESFET.
Confronto tra il MESFET in GaAs ed il JFET in Si.
Modello matematico per grandi segnali.
Modello matematico C-V.
Resistenza di uscita.
Transconduttanza.
Effetti del secondo ordine:
• conduzione sottosoglia
• correnti di substrato
• stati superficiali
• effetti di canale corto.
Modello del MESFET per grandi segnali.
Modelli matematici per CAD.
Caratterizzazione degli effetti termici nel MESFET.
HEMT: struttura tecnologica e principio di funzionamento.
Caratteristiche I-V e C-V.
Effetti del secondo ordine.
Modelli matematici dell’HEMT per grandi segnali:
• modello di Curtice avanzato.
Circuito equivalente del MESFET e dell’HEMT per piccoli segnali.
Equazioni di progetto per il MESFET e per l’HEMT.
10. DISPOSITIVI PER LE MEMORIE A SEMICONDUTTORE
MOSFET per Flash EEPROM:
• Iniezione di Elettroni caldi (scrittura)
• Tunnelling Fowler-Nordheim (cancellazione).
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Effetto ferroelettrico e dispositivi per memorie ferroelettriche (FeRAM).
Effetto tunnel magnetico e dispositivi per memorie magnetiche (MRAM).
11. CNT E DISPOSITIVI QUANTISTICI
Nanotubi di carbonio (CNT): proprietà generali.
FET su nanotubi di carbonio (CNTFET).
Quantum Computing
Dispositivi quantistici.
12. DISPOSITIVI PER LA NANOELETTRONICA
Prestazioni dei dispositivi nanometrici.
Regole di scaling.
Effetti del second’ordine.
Soluzioni tecnologiche e progettuali.
13. IL SIMULATORE CIRCUITALE PSPICE
Richiami sul simulatore PSPICE.
Simulazione mediante PSPICE di HBT, MESFET, HEMT e CNTFET.
TESTI ADOTTATI
A. G. Perri: Fondamenti di Dispositivi Elettronici. Edizioni PROGEDIT, ISBN 978-88-6194-080-2.
A. G. Perri: Dispositivi Elettronici Avanzati. Edizioni PROGEDIT, ISBN 978-88-6194-080-3.
A. G. Perri: Problemi di Analisi e Progetto dei Dispositivi a Semiconduttore, Edizioni PROGEDIT, ISBN
978-88-6194-029-1.
A. G. Perri: Fondamenti di Elettronica. Edizioni PROGEDIT, ISBN 978-88-6194-029-2.
A. G. Perri: Dispositivi Elettronici, Manuale di progettazione con simulazioni PSPICE. Edizioni
PROGEDIT, ISBN 978-88-6194-117-5.
TESTI DI CONSULTAZIONE
B. L. Anderson, R. Anderson: Fundamentals of Semiconductor Devices. Mc Graw Hill, 2005.
K.F. Brennan, A.S. Brown: Theory of Modern Electronic Semiconductor Devices. John Wiley & Sons,
Inc., USA, 2002..
C.Y. Chang, S.M. Sze: ULSI Devices. John Wiley & Sons, Inc., USA, 2000.
Kwok K. Ng: Complete Guide of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, Inc., USA, 2002..
CONOSCENZE PRELIMINARI
Fondamenti di Dispositivi Elettronici.
ESERCITAZIONI
Vengono svolte numerose esercitazioni numeriche, che forniscono l’opportunità di applicare i concetti
teorici e di dare esempi di progetto di dispositivi.
Le esercitazioni sperimentali riguardano il progetto e la simulazione in aula CAD dei dispositivi
elettronici esaminati, nonché la loro caratterizzazione statica e dinamica presso il Laboratorio di
Dispositivi Elettronici del Politecnico di Bari.
MODALITA’ DI SVOLGIMENTO DELL’ESAME
• L’esame consiste in un colloquio orale.
• La prova orale consiste nella verifica dell’apprendimento dei contenuti di tutto il programma, nella
eventuale discussione di alcuni progetti impieganti il simulatore PSPICE, assegnati durante lo
svolgimento del corso e nello sviluppo e relativa discussione di un tema d’anno a carattere
prevalentemente applicativo, rivolto soprattutto ai Cap. 6, 8, 9, 10, 11 e 12.
• Durante lo svolgimento del corso viene effettuata una prova scritta, che, se superata, consente di
accedere all’orale, consistente solo nello sviluppo e relativa discussione del tema d’anno
assegnato. Durante lo svolgimento della prova scritta, è ammesso l’uso del manuale (A. G. Perri:
Dispositivi Elettronici, Manuale di progettazione con simulazioni PSPICE. Edizioni PROGEDIT,
ISBN 978-88-6194-117-5).
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