PHYSICS OF ELECTRONIC DEVICES
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2021/2022
- Docente
- ANGELO COTTA RAMUSINO
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- FIS/01
Obiettivi formativi
- Il corso, che fornisce 6 CFU (48 ore), mira a presentare i principi fisici di funzionamento dei dispositivi a semiconduttore maggiormente impiegati nei sistemi di acquisizione ed elaborazione dati e a mostrarne alcuni caratteristici esempi di applicazione nel campo della Fisica.
Il corso si propone di trasmettere la conoscenza:
- delle leggi che regolano il trasporto di carica elettrica nei semiconduttori secondo un modello “semiclassico”, richiamando prima le nozioni di meccanica quantistica che lo giustificano.
- dei processi impiegati per la fabbricazione, in tecnologia planare, di dispositivi elettronici in silicio.
- delle caratteristiche elettriche dei dispositivi piu’ usati per l’elaborazione di segnali: BJT e MOSFET.
Lo studente sviluppera’ la capacita’ di applicare le conoscenze acquisite mediante esercizi di analisi e sintesi, supportate da strumenti CAD, di circuiti elettronici analogici e digitali. Prerequisiti
- Conoscenza delle leggi fondamentali della meccanica classica e dell’elettromagnetismo
Contenuti del corso
- Il programma del corso comprende:
- 3 ore: richiamo di nozioni di base di cristallografia e di tecnologia planare per la fabbricazione di circuiti integrati basati su silicio (Si)
- 4 ore: richiamo delle nozioni di meccanica quantistica alla base della comprensione della struttura energetica e della densita’ degli stati per i portatori di carica nel Si
- 2 ore: funzione di Fermi e concentrazione dei portatori di carica all’equilibrio termico
- 2 ore: generazione e ricombinazione dei portatori di carica e fenomeni di trasporto di carica
- 7 ore: teoria della giunzione p-n in equilibrio, in polarizzazione inversa e diretta; giunzioni Schottky; confronto tra caratteristica I-V della giunzione ideale e caratteristica di un diodo reale; rottura della giunzione; modello a controllo di carica del diodo; transitori di accensione e spegnimento di un diodo
- 2 ore: applicazione di diodi raddrizzatori, diodi Varicap e diodi Zener
- 1 ora: dispositivi SiPM (Silicon Photo Multiplier) per la rivelazione di singolo fotoelettrone
- 3 ore: teoria e applicazione di transistori bipolari a giunzione (BJT); modello di Ebers-Moll; modello equivalente del BJT per piccoli segnali
- 1 ora: diagramma di Bode della risposta in frequenza di amplificatori a BJT a singolo stadio
- 2 ore: progetto di un semplice amplificatore operazionale a BJT
- 3 ore: teoria e applicazione di transistori ad effetto di campo (MOSFET); modello di Sichman-Hodges; modello equivalente del MOSFET per piccoli segnali;
- 1 ora: diagramma di Bode della risposta in frequenza di amplificatori a MOSFET a singolo stadio
- 1 ora: progetto di un semplice amplificatore operazionale a MOSFET
- 2 ore: inverter CMOS; driver CMOS per carichi capacitivi; power-delay product
- 2 ore: circuiti in logica CMOS combinatoria e sequenziale
- 4 ore: elementi di analisi circuitale nel dominio del tempo e della frequenza e di teoria del rumore elettronico fondamentale
- 3 ore: laboratorio analogico: utilizzo di un simulatore circuitale per lo studio degli circuiti visti a lezione
- 4 ore: laboratorio digitale: sintesi automatica di circuiti digitali descritti in Hardware Description Language (HDL) ed esercitazione basata su ambiente di sviluppo per circuiti integrati di tipo FPGA (Field Programmable Gate Array) Metodi didattici
- Gli argomenti in programma vengono presentati con lezioni frontali, durante alcune delle quali il docente impiega strumenti CAD per la descrizione e la successiva simulazione di circuiti analogici e digitali.
Durante le sessioni di laboratorio gli studenti usano gli strumenti CAD di cui sopra in modo autonomo, assistiti dal docente. Modalità di verifica dell'apprendimento
- Lo studente viene valutato con una prova orale che prevede:
- l’esposizione di un argomento scelto dallo studente o di una relazione preparata dallo studente su un esercizio di progetto o analisi circuitale simile a quelli visti durante il corso
- la risposta a domande riguardanti la teoria di funzionamento dei dispositivi oggetto del corso
- una prova mediante la quale si accerta l'acquisizione da parte dello studente dell'abilita' di applicare le conoscenze teoriche; la prova consiste nell’analisi del funzionamento di un circuito elettrico in cui sono impiegati uno o piu' dispositivi tra quelli oggetto del corso
Il voto finale risulta dalla media pesata delle valutazioni dei singoli risultati. Testi di riferimento
- S.M.Sze
Semiconductor Devices
John Wiley & Sons, 1985 - ISBN: 0-471-33372-7
Donald A. Neamen
Semiconductor Physics and Devices: basic principles - 3rd ed.
MacGraw-Hill, 2003, INTERNATIONAL EDITION ISBN 0-07-1 19862-8
Jasprit Singh
Electronic and Optoelectronic Properties of Semiconductor Structures
Cambridge University Press, 2003, ISBN-13 978-0-521-82379-1, ISBN-10 0-521-82379-X
J.Millman,
Microelectronics: Digital and Analog Circuits and Systems
McGraw-Hill,1972, ISBN: 007042327X
M.R.Haskard, I.C.May
Analog VLSI design nMOS and CMOS
Prentice Hall, 1988, ISBN: 0724800271
R. Gregorian
Introduction to CMOS op-amp and comparators
John Wiley & Sons, inc.,1999, ISBN: 0471317780
R. Jacob Baker
CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation (IEEE Press Series on Microelectronic Systems)
IEEE Computer Society Press; 2010, ISBN-10: 0470881321, ISBN-13: 978-0470881323
E.Gatti, P.F.Manfredi
Processing the signals from solid-state detectors in elementary-particle physics
La rivista del NUOVO CIMENTO Vol.9 N.1, 1986
