Obiettivi formativi
1) Conoscenza e comprensione
In seguito alla frequenza delle lezioni e allo studio individuale, lo studente dovrà conseguire:
- una conoscenza di base delle nozioni di fisica dei semiconduttori necessarie per la comprensione del funzionamento dei dispositivi elettronici;
- una conoscenza dettagliata e la comprensione del funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore nell'ambito del modello "drift-diffusion".
2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Un primo obiettivo dell'insegnamento è fornire lo studente della capacità di applicare le conoscenze acquisite all'analisi e alla progettazione di massima di dispositivi elettronici a semiconduttore.
- Si ritiene inoltre fondamentale la capacità di applicare i metodi di analisi presentati nelle lezioni allo studio sia qualitativo che quantitativo del comportamento dei dispositivi.
Prerequisiti
Si presuppone nello studente la familiarità con le nozioni di matematica, fisica, chimica, elettrotecnica ed elettronica acquisite nei corsi di laurea della classe dell'Ingegneria dell'informazione (classe L-8).
Contenuti dell'insegnamento
1) Bande energetiche nei semiconduttori
2) Portatori di carica
3) Equilibrio termico
4) Cenni sul trasporto nei semiconduttori
5) Modello drift-diffusion
6) Cenni sui contatti metallo-semiconduttore
7) Giunzioni pn
8) Transistore Bipolare a Giunzione (BJT)
9) Transistore MOS (MOSFET)
10) Celle solari
Programma esteso
1) Bande energetiche nei semiconduttori
Struttura cristallina e potenziale periodico. Equazione di Schroedinger. Bande energetiche. Reduced Zone Plot. Stati quantici e classificazione dei materiali. Struttura delle bande di Si e GaAs. Crystal momentum e massa efficace. Superfici a energia costante. Effective Mass Schroedinger Equation.
2) Portatori di carica
Generazione di elettroni e lacune. Ricombinazione. Concentrazioni di portatori. DOS Effective Mass nel Silicio.
3) Equilibrio termico
Collisioni e scattering. Livello di Fermi. Concentrazioni di portatori all'equilibrio. Velocità media unidirezionale di una distribuzione all'equilibrio.
4) Cenni sul trasporto nei semiconduttori
Equazione di Boltzmann. Modello drift-diffusion. Modello idrodinamico.
5) Modello drift-diffusion
Semiconduttori all’equilibrio. Legge dell’azione di massa. Statistiche di Fermi-Dirac e di Maxwell-Boltzmann. Densità di stati. Livello di Fermi e livello di fermi intrinseco. Pseudolivelli di Fermi. Portatori liberi nei semiconduttori. Mobilità. Velocità di saturazione. Corrente di diffusione. Corrente e pseudolivelli di Fermi.
6) Cenni sui contatti metallo-semiconduttore
Diodo Schottky ideale all’equilibrio, in polarizzazione diretta ed inversa. Stati interfacciali e pinning del livello di Fermi. Contatti ohmici.
7) Giunzioni pn
Distribuzioni non uniformi di drogaggio. Giunzione p-n all’equilibrio. Lunghezza di Debye. Polarizzazione inversa. Capacità di una giunzione in inversa. Breakdown a valanga ed effetto Zener. Equazioni di continuità. Generazioni e ricombinazioni Shockley-Hall-Read. Ricombinazioni Auger e superficiali. Caratteristica I-V del diodo p-n. Diodi a base lunga e diodi a base corta. Discussione delle approssimazioni di basse iniezioni e di quasi-equilibrio. Correnti di generazione-ricombinazione in polarizzazione diretta e inversa. Capacità di diffusione.
8) Transistore Bipolare a Giunzione (BJT)
Zona attiva diretta. Fattore di trasporto in base. Efficienza di emettitore. Zona attiva inversa, saturazione, interdizione. Effetto Early. BJT integrati. Effetti delle basse iniezioni. Alte iniezioni: effetto Kirk, resistenza di base. Tempo di transito in base ed effetto Webster. Limitazioni in frequenza: fT e fMAX.
9) Transistore MOS (MOSFET)
Sistemi MOS ideali. Struttura delle bande. Accumulazione, svuotamento, inversione, forte inversione. Tensione di soglia ed effetto body. caratteristica C-V del sistema MOS ideale. Sistemi MOS non ideali. cariche nell’ossido e all’interfaccia. MOSFET. Effetto body. Effetto della carica di bulk. Aggiustamento della tensione di soglia. Corrente sotto-soglia. Effetti di canale corto e di canale stretto. Riduzione della mobilità. Saturazione della velocità. Corrente di drain nei MOSFET a canale corto. Effetto dello scaling sui MOSFET a canale corto. Campi elettrici nella regione di velocità saturata: modello quasi-2D. Effetti dei portatori caldi: corrente di substrato e corrente di gate.
10) Celle solari
Assorbimento e generazione. Fotocorrente. Fototensione. Punto di massima potenza ed efficienza di conversione.
Bibliografia
- R. S. Muller, T. I. Kamins, P. K. Ko, “Device Electronics for Integrated Circuits,” 3rd Edition, John Wiley & Sons, 2003. ISBN: 0-471-42877-9
- D. L. Pulfrey, "Understanding modern transistors and diodes," Cambridge University Press, 2010. ISBN: 978-0-521-51460-6.
Metodi didattici
Lezioni frontali.
Modalità verifica apprendimento
Esame orale.
Durante l'esame lo studente dovrà dimostrare una buona comprensione dei meccanismi fisici che determinano il comportamento dei dispositivi elettronici, e la capacità di analizzarne anche quantitativamente comportamento e caratteristiche.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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