ELECTRONIC DEVICES

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti le nozioni di base della fisica dei semiconduttori, di fornire una panoramica sulle tecnologie di fabbricazione dei circuiti integrati e di comprendere il funzionamento dei principali dispositivi elettronici (diodi, transistori bipolari e transistori MOS) al fine di poterli descrivere tramite un'adeguata modellistica circuitale. Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado analizzare e descrivere tramite un appropriato modello circuitale il comportameto dei dispositivi oggetto di studio, dovrà inoltre essere capace di discernere quali caratteristiche costruttive (di processo o di progetto) ne influenzino le prestazioni. Lo studente, sarà altresì in grado di analizzare alcuni semplici passi di fabbricazione dei dispositivi in tecnologia integrata.

L’insegnamento viene svolto tramite lezioni di didattica frontale. Circa un terzo delle lezioni è dedicato ad esercitazioni numeriche in aula.

Sono richieste le conoscenze di matematica, fisica ed elettronica normalmente fornite in un corso triennale nella classe L-8 "Ingegneria dell'informazione".

La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata in quanto vengono tenute e assegnate esercitazioni propedeutiche allo svolgimento della prova scritta

1. Struttura cristallina e Tecnologia planare
   Materiali semiconduttori, cristalli, indici di Miller. Legami atomici. Imperfezioni e impurità. Crescita del cristallo. Ossidazione termica. Diffusione termica. Impiantazione ionica. Formazione di film sottili. Litografia ed attacco. Processi bipolare e CMOS.
2. Introduzione alla meccanica quantistica
   L'equazione di Schrödinger. Applicazioni dell'equazione di Schrödinger. L'atomo di idrogeno.
3. Teoria quantistica dei solidi
   Bande di energia. Modello di Kronig-Penney. Diagramma E-k. Conduzione elettrica. Massa efficace. Concetto di lacuna. Funzione densità degli stati. Statistica di Fermi-Dirac. Energia di Fermi.
4. Semiconduttori in equilibrio
   Concentrazione dei portatori di carica. Atomi droganti e livelli energetici. Semiconduttori estrinseci. Neutralità di carica. Livello di Fermi.
5. Fenomeni di trasporto
   Deriva dei portatori. Mobilità, resistività e conducibilità. Diffusione di portatori. Relazione di Einstein.
6. Portatori in condizioni di non-equilibrio
   Generazione/ricombinazione diretta. Iniezione di portatori. Equazione di continuità. Trasporto ambipolare. Ricombinazione SHR. Tempi di vita. Ricombinazione Auger. Quasi-livelli di Fermi.
7. Giunzioni pn e metallo-semiconduttore
   Giunzione pn. Condizioni di equilibrio. Caratteristica I-V della giunzione pn. Diodo a base lunga e a basa corta. Modelli statici. Modelli di piccolo segnale. Capacità di giunzione e di diffusione. Correnti di generazione/ricombinazione. Breakdown. Barriera Schottky. Caratteristica I-V. Contatti Ohmici. Barriera tunnel.
8. Transistore bipolare
   Regioni di funzionamento. Effetto transistore. Modello di Ebers-Moll. Modelli statici e di piccolo segnale. Effetti capacitivi. Effetti di secondo ordine.
9. Transistore MOS
   Regioni di funzionamento del condensatore MOS. Tensione di banda piatta. Tensione di soglia. Distribuzioni di carica. Regioni di funzionamento del transistore MOS. Caratteristica I-V. Effetti di secondo ordine. Modelli statici e di piccolo segnale.

1. Donald Neamen, Semiconductor physics and devices: basic principles, McGraw Hill
2. G. Giustolisi, G. Palumbo, Introduzione ai dispositivi elettronici, Franco Angeli
3. S. Dimitrijev, Understanding semiconductor devices, Oxford University Press, 2000
4. R. S. Muller, T. I. Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, John Wiley & Sons, 1986

La piattaforma Studium (http://studium.unict.it) contiene

• Le slide del corso
• I compiti di esame

L’apprendimento viene verificato attraverso l'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, della correttezza dei calcoli e di quanto lo studente sia riuscito a completare.

Gli studenti che conseguono un voto inferiore a 15 non hanno conoscenze adeguate al superamento dell’esame e non sono ammessi al colloquio orale. Il risultato della prova scritta viene convertito in una scala di giudizi [RISERVA (da 15 a 18), SUFFICIENTE (da 19 a 22), DISCRETO (da 23 a 26) e BUONO (da 27 a 30)] e pubblicato sulla piattaforma Studium (http://studium.unict.it). Gli studenti ammessi con riserva, avranno una limitazione sul voto finale (max 25/30). Il colloquio orale si svolge principalmente su due argomenti sui quali lo studente deve dimostrare adeguata comprensione, padronanza degli argomenti discussi e chiarezza espositiva. La durata media del colloquio orale è di 40 minuti. Il voto finale terrà conto del risultato della prova scritta e, con maggior peso, dell’esito del colloquio orale.

Il portale Studium (http://studium.unict.it) raccoglie una collezione di compiti d'esame di anni passati.

Di seguito si elencano, a titolo di esempio e in maniera non esaustiva, alcuni argomenti che vengono chiesti nel corso del colloquio orale.

• Ossidazione termica
• Elettrone in buca di potenziale infinita
• Modello di Kronig-Penney
• Semiconduttori estrinseci
• Trasporto ambipolare
• Ricombinazione SHR
• Corrente nel diodo
• Correnti di generazione e ricombinazione
• Effetto transistore
• Regioni di funzionamento del condensatore MOS