Obiettivi formativi
1.CONOSCENZA E COMPRENSIONE. Un primo obiettivo del corso è di
fornire allo studente la conoscenza dei principali passi tecnologici per la
fabbricazione di dispositivi elettronici ed optoelettronici utilizzati in un
ampio spettro di applicazioni, dotandolo così degli strumenti per la
comprensione della gran parte dei processi realizzativi dei dispositivi per
l’elettronica, evidenziando come le scelte tecnologiche condizionino le
prestazioni finali dei dispositivi, con particolare attenzione:
• all’analisi dei limiti delle soluzioni tecnologiche e al loro impatto sulle
prestazioni finali dei dispositivi elettronici;
• ai concetti di miniaturizzazione ed integrazione ed ai problemi di
funzionamento ad essi legati;
• allo studio dello stato dell’arte dei MOSFET, memorie, e linee d’
interconnessione che verranno analizzati in termini di materiali,
tecnologie, tecniche di processo;
• ai principi base di funzionamento di dispositivi alternativi al tradizionale
CMOS realizzato con processo planare, es. FINFET, Strained Silicon, ecc.;
• allo studio e confronto tra le principali tecnologie per la realizzazione di
celle solari.
Un secondo obiettivo è quello far conoscere allo studente alcune
applicazioni a livello di sistema :
• per catturare energia dall’ambiente e per trasformarla in energia
elettrica (Energy Harvesting) e
• per generare, trasmettere ed immagazzinare energia nelle reti
elettriche intelligenti (Smart Grids),
con particolare attenzione alla modalità di produzione ed accumulo dell’
energia, ed alla comprensione delle principali problematiche ad esse
l e g a t e .
2.CAPACITA’ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE . La formazione si estende anche alla conoscenza e all’utilizzo pratico di strumenti CAD per la progettazione a livello di dispositivo dei componenti
elettronici. In particolare lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze e comprensione acquisite per:
• simulare il funzionamento termico e/o elettrico e/o ottico di un
dispositivo elettronico;
• analizzare l’impatto dei diversi fattori, quali geometria, drogaggi, scelta
dei materiali ecc., sulla prestazioni del dispositivo;
• definire criteri progettuali per la realizzazione di dispositivi elettronici
ottimizzati dal punto di vista delle prestazioni richieste.
3.UTILIZZO DI COMPETENZE TRASVERSALI.
Il progetto di laboratorio, spesso svolto in gruppi, stimola le competenze trasversali dello studente, ovvero la capacità di lavorare in gruppo, di comunicare in modo efficace con i colleghi e il docente, di organizzare il proprio lavoro, di gestire in modo ottimale il tempo.
Prerequisiti
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Contenuti dell'insegnamento
I) Processo planare su silicio: si analizzano i vari passi del processo
planare su silicio evidenziandone i limiti e le possibilità di miglioramento,
applicando poi tali concetti ad alcuni importanti processi (es. processo
C M O S ) .
II) I concetti di miniaturizzazione, integrazione e time to market vengono
analizzati a partire dalle ITRS (International Technology Roadmap for
Semiconductors), con particolare attenzione ai dispositivi MOSFET, alle
memorie, e alle linee d’interconnessione che verranno analizzati in
termini di materiali, tecnologie, tecniche di processo e nuove strutture.
III) Moduli fotovoltaici: si analizzano alcune delle più importanti celle
fotovoltaiche, con particolare attenzione alle celle solari su Silicio e a film
sottile.
IV) Smart-grids: componenti fondamentali e principali tecnologie per la
generazione e l'accumulo distribuiti di energia nella rete elettrica
intelligente.
V) Si analizzano alcune tecniche, tecnologie e applicazioni per il recupero
e l’immagazzinamento d’energia dall’ambiente (energy harvesting).
VI) Si prevede l’utilizzo di strumenti CAD (esperienze di laboratorio) per l’
analisi e la progettazione di alcuni dispositivi trattati nel corso (es.
progetto di celle solari).
Programma esteso
I) Processo planare su silicio:
Crescita del wafer di Silicio ;
Ossidazione;
Litografia;
Drogaggio: Diffusione ed impiantazione ionica;
Tecniche di crescita epitassiale;
Tecniche di deposizione di dielettrici e materiali conduttori;
Tecniche di attacco;
Packaging.
II) Miniaturizzazione, integrazione e time to market:
Scaling ideale e reale;
Effetti di canale corto: soluzioni tecnologiche e architetturali.
Processi tecnologici: NMOSFET, CMOS, BJT, SOI.
III) Moduli fotovoltaici:
Celle solari in silicio monocristallino, policristallino ed amorfo.
Celle solari film sottile: tecnologie su CIGS e CdTe.
Celle solari multi giunzione realizzate con semiconduttori III-V.
IV) Energy harvesting: da vibrazioni, energia solare, piezoelettricità.
V) Smart-grids: definizioni, componenti fondamentali, integrazione di
fonti rinnovabili, accumulo d’energia.
VI) Utilizzo del software Synopsys-Sentaurus per l’analisi e la
progettazione di dispositivi elettronici.
Bibliografia
Argomenti trattati nelle parti I-II (si veda la sezione "Contenuti"):
1) S.M.Sze, "ULSI technology", Mcgraw hill, 1996
2) S.M.Sze, "VLSI technology", McGraw-Hill Book Co., 1983
3) G. Soncini, "Tecnologie microelettroniche", Boringhieri, 1986.
Argomenti trattati nella parte III:
4)A.Luque and S. Hegedus, "Handbook of photovoltaic science and engineering" , 2.ed , Wiley, 2011
Argomenti trattati nella parte IV:
5) J. Momoh, “Smart Grid: fundamentals of design and analysis”, Wiley,
2012.
Argomenti trattati nella parte V:
6) T. J. Kazmierski, S. Beeby, “Energy Harvesting Systems”, Springer,
2 0 1 1 .
Il libro 1) si trova nella biblioteca di Fisica, tutti gli altri nella Bilioteca di Ingegneria e Architettura.
Metodi didattici
Il corso è organizzato in lezioni orali nelle quali saranno spiegati gli
argomenti indicati nel programma. Sono previste alcune lezioni dedicate
ad esercitazioni per il dimensionamento dei principali processi tecnologici
introdotti nella parte teorica, e svolte alla lavagna dal docente. E’
prevista attività di laboratorio che consisterà nell’utilizzo di un software
di progettazione CAD per la simulazione del comportamento termico e/o
elettrico e/o ottico di un dispositivo elettronico.
Modalità verifica apprendimento
La prova d’esame è orale e verterà sulla verifica delle conoscenza e
comprensione da parte dello studente degli argomenti spiegati nel corso.
In aggiunta è prevista una breve relazione (di massimo 10 pagine) sul
progetto svolto in laboratorio, e relativo alla simulazione di un dispositivo
elettronico scelto dal docente: tale attività può essere svolta
singolarmente o in piccoli gruppi (composti al massimo da tre studenti) a
scelta da parte degli studenti stessi. La relazione dovrà contenere un’
analisi critica dei risultati ottenuti. Non sono previste prove in itinere.
Altre informazioni
Materiale didattico di supporto alle lezioni preparato dal docente sotto
forma di slides è disponibile sulle pagine del corso ed accessibile dal sito
lea.unipr.it, ed è scaricabile dagli studenti previa registrazione.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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