Obiettivi Formativi

Fornire allo studente una visione globale dell’Elettronica moderna, delle metodologie di analisi e di progetto dei circuiti elettronici digitali, dei dispositivi e tecnologie per la realizzazione dei moderni circuiti integrati. Sviluppare la capacità di analizzare e progettare, a livello di dispositivo e tecnologia, sistemi logici relativamente complessi in modo analitico e attraverso l’utilizzo di strumenti numerici CAD. Favorire lo sviluppo dell’autonomia dello studente nella scelta della migliore soluzione architetturale e/o tecnologica del problema sotto esame. Favorire la capacità di esprimersi con adeguato linguaggio ai fini della corretta comunicazione delle scelte tecniche adottate e dei risultati ottenuti. Sviluppare l’autonoma capacità di aggiornamento in un settore, come quello delle tecnologie elettroniche per applicazioni digitali, che è caratterizzato da rapida e costante evoluzione tecnologica.

Learning Goals

Provide the student with a global vision of modern electronics, of analysis and design methodologies of digital electronic circuits, of devices and technologies for the construction of modern integrated circuits. Develop the ability to analyze and design, at the device and technology level, relatively complex logic systems analytically and through the use of CAD numerical tools. Encourage the development of student autonomy in choosing the best architectural and / or technological solution to the problem under examination. Promote the ability to express oneself with adequate language for the correct communication of the adopted technical choices and the obtained results. Develop autonomous updating capacity in a sector, such as that of electronic technologies for digital applications, which is characterized by rapid and constant technological evolution.

Metodi didattici

Il corso è composto di lezioni (teoria), esercitazioni in aula ed esercitazioni al calcolatore. Le lezioni si svolgono attraverso la proiezione di slide e materiale didattico messo a disposizione dal docente. Le esercitazioni al calcolatore riguardano la simulazione e progettazioni di circuiti digitali.

Teaching Methods

The course consists of lessons (theory), classroom exercises and computer exercises. The lessons take place through the projection of slides and didactic material made available by the teacher. The computer exercises concern the simulation and design of digital circuits.

Prerequisiti

Reti elettriche lineari; Reti logiche combinatore e sequenziali.

Prerequisites

Linear electrical networks; Combinatorial and sequential logic networks.

Verifiche dell'apprendimento

L’esame è composto da tre quesiti ognuno dei quali può avere carattere analitico, progettuale, simulativo e/o teorico e possono richiede l’ausilio di un calcolatore. Due dei tre quesiti vanno risolti e argomentati in forma scritta, il terzo può essere risolto in forma scritta o in forma orale. Nel primo caso la valutazione complessiva satura a 27/30. Al momento dell’iscrizione su ESSE3 lo studente deve aggiungere una nota relativa alla modalità di esame scelta. Durata e valutazione dei quesiti saranno proporzionali alle relative complessità. Per lo svolgimento della prova scritta lo studente deve essere provvisto di carta, penna e di matite/pennarelli colorati per il disegno di layouts. E’ vietato l’utilizzo di appunti/libri e di dispositivi elettronici con l’esclusione di una calcolatrice portatile. In accordo col docente sarà possibile l’utilizzo di calcolatori personali per la parte progettuale che include simulazioni e disegno di layouts. Il docente si riserva di convocare gli studenti per chiarimenti sulla parte scritta/ progetto al calcolatore.

Assessment

The exam consists of three questions, each of which can have an analytical, design, simulative and / or theoretical nature and may require the aid of a computer. Two of the three questions must be answered and discussed during the written test, the third can be answered during the written test or in a separated oral session. In the first case, the overall evaluation saturates with 27/30. When registering on ESSE3, the student must add a note relating to the chosen exam method. Duration and evaluation of the questions will be proportional to the relative complexity. To carry out the written test, the student must be provided with paper, pen and colored pencils for drawing layouts. The use of notes / books and electronic devices is prohibited with the exception of a portable calculator. In agreement with the teacher, it will be possible to use personal computers for the design part which includes simulations and layout design. The teacher reserves the right to call students for clarification on the written part / computer project.

Programma del Corso

INTRODUZIONE. Introduzione all’Elettronica e cenni storici, evoluzione del transistor e dei primi calcolatori. Richiami di teoria delle reti elettriche lineari: relazioni costitutive, caratteristica corrente-tensione, componenti e reti lineari e non lineari, analisi in DC e caratteristiche di trasferimento, risposta dinamica: tempi di ritardo, salita e discesa. La simulazione circuitale con SPICE: storia e struttura del simulatore, descrizione del circuito, elementi circuitali implementati e modelli dei componenti, parametri e sotto-circuiti, stimoli transitori, comandi e classi di simulazione, analisi parametrica, esempi. MATERIALI PER L’ELETTRONICA INTEGRATA. Materiali omogenei: semiconduttori, isolanti e metalli, moto termico e bande di energia, elettroni, lacune e concentrazione intrinseca, semiconduttori drogati, legge di azione di massa, neutralità di carica e concentrazione dei portatori, mobilità, conducibilità e resistività, corrente di deriva, saturazione di velocità e legge di Ohm. Resistori integrati: sheet resistance, design e modello SPICE. Interconnessioni in metallo ed elettromigrazione. Materiali non omogenei: corrente di diffusione e trasporto di carica drift/diffusion, trasporto nei metalli e nei semiconduttori. Giunzione pn: regione di svuotamento, polarizzazione diretta e inversa, modello di Shockley, caratteristica IV reale: resistenza serie, corrente inversa, breakdown, capacità di giunzione e di diffusione, diodo a giunzione pn integrato, modello SPICE. Giunzione metallo-semiconduttore. Processi tecnologici per la fabbricazione dei circuiti integrati: tecnologia del substrato, epitassia e crescita, ossidazione, fotolitografia, etching, deposizione di film, drogaggio per diffusione e impiantazione ionica. Interconnessioni: resistenza e capacità di linea, modello RC distribuito. IL TRANSISTOR MOSFET. la struttura MOS: regioni di funzionamento, tensione di soglia e caratteristica CV; struttura e tecnologia del transistor MOSFET planare in tecnologia poly-Silicon Gate. Funzionamento del MOSFET: meccanismi di conduzione e caratteristiche corrente-tensione, effetto body, correnti di leakage, effetti capacitivi e modello di Meyer, modello SPICE, analisi dei circuiti in DC, transistor di tipo P e a svuotamento. Effetti di canale corto: modulazione di lunghezza di canale, saturazione di velocità, Vt roll-off, resistenze serie, effetti di alto campo; scaling a campo costante. Evoluzione del MOSFET: source/drain design, channel design, oxide design, strained Silicon, ossidi High-k e Metal gate, Silicon on Insulator e multiple-gate MOSFETs. INTRODUZIONE ALL’ELETTRONICA DIGITALE: porte logiche ideali e reali; definizione dei livelli logici e margini di rumore; fan in/out; riposta dinamica: tempi di salita, discesa, ritardo di propagazione; dissipazione di potenza statica e dinamica; prodotto ritardo-potenza; ring-oscillator; modello digitale del MOSFET. Cenni sulla logica bipolare. ANALISI E DESIGN DI CIRCUITI DIGITALI NMOS. Invertitore NMOS: caratteristica di trasferimento, risposta dinamica; potenza dissipata, power e delay scaling. Analisi, progetto e simulazione di invertitori NMOS con carico resistivo, in saturazione, in triodo, a svuotamento, con PMOS. Tecnologia PMOS. Analisi, design e simulazione di porte logiche NMOS a standard cells e complex gates. Porte di trasmissione NMOS/PMOS. ANALISI E DESIGN DI CIRCUITI DIGITALI CMOS. Invertitore CMOS: tecnologia e steps di processo, caratteristica di trasferimento, risposta dinamica, potenza dissipata. Analisi, design e simulazione di porte logiche CMOS: standard cells e complex gates. Circuiti di buffer. Porta di trasmissione CMOS. Applicazioni delle porte di trasmissione: block selector, tri-state, path selector, mux-demux, transistor switch array, logica ad interruttori. Circuiti in logica dinamica: PE, Domino, NP logic. MEMORIE MOS. Elementi di memoria in logica statica: latch D e meta-stabilità, latch SR NOR/NAND, latch D a porte di trasmissione, flip flop (FF) D Master-Slave, FF timing. Elementi di memoria in logica dinamica: FF-D Master-Slave dinamico, clock timing, clock a due e quattro fasi. Memorie RAM: array e circuiti di periferia, decoder riga/colonna, drivers e sense amplifiers. Celle di memoria SRAM (6T) e DRAM (1T-1C): scaling, analisi e simulazione delle operazioni di lettura e scrittura. Memorie non volatili: ROM, PROM, Floating Gate e architettura NOR/NAND Flash. DESIGN E LAYOUT DEI CIRCUITI INTEGRATI. Regole di layout e progetto MOSIS. Software per il disegno dei circuiti integrati. Layers dei circuiti integrati: cross-section, layout di maschera, design rules e parassiti di linea. Resistori integrati: well e poly resistors, matching layouts, guard rings, voltage divider. Condensatori integrati: poly e metal capacitors. Strutture di test. MOSFET layout e parassiti. Chip design: standard cell e custom design, standard cell frame, power/signal routing, crosstalk e decoupling capacitor, bonding Pad, Padframe e protezione elettrostatica. Stick diagrams: routing e design rules. Esempi di layout e stick diagrams in logica NOR/NAND e a porte di trasmissione.

Course Syllabus

INTRODUCTION. Introduction to electronics and historical notes, evolution of the transistor and of the first computers. Review of linear electrical network theory: constitutive relationships, current-voltage characteristics, linear and non-linear components and networks, DC analysis and transfer characteristics, dynamic response: delay, rise and fall times. Circuit simulation with SPICE: history and structure of the simulator, description of the circuit, implemented circuit elements and component models, parameters and sub-circuits, transient stimuli, commands and simulation classes, parametric analysis, examples. MATERIALS FOR INTEGRATED ELECTRONICS. Homogeneous materials: semiconductors, insulators and metals, thermal motion and energy bands, electrons, holes and intrinsic concentration, doped semiconductors, law of mass action, charge neutrality and carrier concentration, mobility, conductivity and resistivity, drift current, velocity saturation and Ohm's law. Integrated resistors: sheet resistance, design and SPICE model. Metal interconnections and electromigration. Inhomogeneous materials: diffusion current and drift / diffusion charge transport, transport in metals and semiconductors. PN junction: depletion region, forward and reverse bias, Shockley model, real IV characteristic: series resistance, reverse current, breakdown, junction and diffusion capacitance, integrated pn junction diode, SPICE model. Metal-semiconductor junction. Technological processes for manufacturing integrated circuits: substrate technology, epitaxy and growth, oxidation, photolithography, etching, film deposition, diffusion doping and ion implantation. Interconnections: resistance and line capacitance, distributed RC model. THE MOSFET TRANSISTOR. the MOS structure: operating regions, threshold voltage and CV characteristic; structure and technology of the planar MOSFET transistor in poly-Silicon Gate technology. Operation of the MOSFET: conduction mechanisms and current-voltage characteristics, body effect, leakage currents, capacitive effects and Meyer model, SPICE model, analysis of DC circuits, P-type and depletion mode MOSFETs. Short channel effects: channel length modulation, velocity saturation, Vt roll-off, series resistors, high field effects; constant field scaling. Evolution of the MOSFET: source / drain design, channel design, oxide design, strained Silicon, High-k and Metal gate oxides, Silicon on Insulator and multiple-gate MOSFETs. INTRODUCTION TO DIGITAL ELECTRONICS: ideal and real logic gates; definition of logic levels and noise margins; fan in / out; dynamic response: rise and fall times, propagation delay; static and dynamic power dissipation; delay-power product; ring-oscillator; digital model of the MOSFET. Notes on bipolar logic. ANALYSIS AND DESIGN OF NMOS DIGITAL CIRCUITS. NMOS inverter: transfer characteristic, dynamic response; power dissipation, power and delay scaling. Analysis, design and simulation of NMOS inverters with resistive load, saturated load, load in triode, depletion mode load, PMOS load. PMOS technology. Analysis, design and simulation of NMOS logic gates with standard cells and complex gates. NMOS / PMOS pass gates. ANALYSIS AND DESIGN OF CMOS DIGITAL CIRCUITS. CMOS inverter: technology and processing steps, transfer characteristics, dynamic response, dissipated power. Analysis, design and simulation of CMOS logic gates: standard cells and complex gates. Buffer circuits. CMOS transmission gate. Transmission/pass gate applications: block selector, tri-state outputs, path selector, mux-demux, transistor switch array, switch logic. Dynamic logic circuits: PE, Domino, NP logic. MOS MEMORIES. Memory elements in static logic: D-latch and meta-stability, SR NOR / NAND latch, D-latch with transmission/pass gates, flip-flop (FF) D Master-Slave, FF timing. Dynamic logic memory elements: dynamic FF-D Master-Slave, clock timing, two and four phase clock. RAM memories: arrays and peripheral circuits, row / column decoders, drivers and sense amplifiers. SRAM (6T) memory and DRAM (1T-1C) cells: scaling, analysis and simulation of read and write operations. Non-volatile memories: ROM, PROM, Floating Gate and NOR / NAND Flash architecture. INTEGRATED CIRCUIT DESIGN AND LAYOUT. MOSIS layout and design rules. Software for the design of integrated circuits. Integrated circuit layers: cross-section, mask layout, design rules and line parasitics. Integrated resistors: well and poly resistors, matching layouts, guard rings, voltage divider. Integrated capacitors: poly and metal capacitors. Test structures. MOSFET layout and parasitics. Chip design: standard cell and custom design, standard cell frame, power / signal routing, crosstalk and decoupling capacitor, bonding Pad, Padframe and electrostatic protection. Stick diagrams: routing and design rules. Examples of layouts and stick diagrams in NOR / NAND logic and with transmission gates.