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) Modello drift-diffusion
2) Cenni sui contatti metallo-semiconduttore
3) Giunzioni p-n
4) Diodi p-i-n
5) Celle solari
6) Diodi LED
7) Transistore Bipolare a Giunzione (BJT)
8) Tiristori (SCR) e GTO
9) Transistore MOS (MOSFET)
10) IGBT
Programma esteso
1) Modello drift-diffusion - 4 ore
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.
2) Cenni sui contatti metallo-semiconduttore - 2 ore
Diodo Schottky ideale all’equilibrio, in polarizzazione diretta ed inversa. Stati interfacciali e pinning del livello di Fermi. Contatti ohmici.
3) Giunzioni pn - 8 ore
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.
4) Diodi p-i-n - 4 ore
Struttura fisica. Caratteristiche statiche in diretta ed in inversa e dimensionamento dei diodi. Caratteristiche dinamiche.
5) Celle solari – 2 ore
Conversione fotovoltaica. Caratteristica I-V della cella illuminata e cifre di merito. Tecnologie per la conversione fotovoltaica.
6) Diodi LED – 2 ore
Emissione luminosa. Efficienza. Tecnologie e materiali per diodi LED.
7) Transistore Bipolare a Giunzione (BJT) - 6 ore
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. Cenni sui BJT di potenza.
8) Tiristori (SCR) e GTO – 2 ore
Struttura, funzionamento e caratteristiche statiche dei tiristori. Cenni sui GTO.
9) Transistore MOS (MOSFET) - 10 ore
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. MOSFET di potenza: struttura e principi di funzionamento; caratteristiche statiche e dinamiche.
10) IGBT – 2 ore
Struttura e principi di funzionamento. Caratteristiche statiche e dinamiche.
Bibliografia
1) R. S. Muller, T. I. Kamins, P. K. Ko, “Device Electronics for Integrated Circuits,” John Wiley & Sons.
2) N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, "Power electronics: converters, applications, and design", John Wiley & Sons.
Metodi didattici
Lezioni frontali. Le lezioni saranno suddivise in due tipologie: (1) lezioni fondamentali: l’obiettivo è quello di fornire una comprensione di tipo fondamentale del funzionamento fisico dei dispositivi, limitando i dettagli matematici all’essenziale ed illustrando i fenomeni fisici dal punto di vista dell’effetto sul comportamento dei dispositivi;(2) lezioni di approfondimento: mediante procedimento fisico-matematico deduttivo i fenomeni fisici che determinano il comportamento dei dispositivi sono trattati in maggiore dettaglio, nell’ambito del modello drift-diffusion.
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.
Di norma l'esame consiste in due-tre domande. Nella valutazione finale 24/30 sono attribuiti in base alla preparazione sugli argomenti svolti nelle lezioni fondamentali, i restanti 6/30 in base alla preparazione sugli argomenti svolti nelle lezioni di approfondimento.
Altre informazioni
Le pagine web dell'insegnamento sono reperibili sulla piattaforma Elly.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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