Obiettivi Formativi

Il corso di Dispositivi Elettronici vuole fornire le conoscenze che stanno alla base del funzionamento fisico dei dispositivi elettronici quali resistenze, diodi e transistors a semiconduttore. A tal fine è necessaria una adeguata conoscenza dei meccanismi di conduzione di carica che viene approfondita nella prima parte del corso. La modellizzazione è inquadrata costantemente allinterno del modello deriva-diffusione dei semiconduttori e accompagnata dal supporto computazionale attraverso lo sviluppo di codice numerico e verifica attraverso simulazione di dispositivo. Le conoscenze acquisite permetteranno la completa comprensione dei parametri dei modelli compatti dei dispositivi elettronici utilizzati nella progettazione circuitale, in particolare quelli relativi alla progettazione digitale integrata, la capacità di interagire con simulatori di dispositivi e la capacità di effettuare le misure elettriche di base per la caratterizzazione dei dispositivi a semiconduttore.

Learning Goals

The "Electronic Devices" course aims to provide the knowledge underlying the basic physics of electronic devices such as resistors, diodes and semiconductor transistors. To this end it is necessary to have an adequate knowledge of the mechanisms of charge transport which is deepened in the first part of the course. Modeling is constantly framed within the drift-diffusion model of semiconductors and accompanied by computational support through the development of numerical code and verification through device simulation. The acquired knowledge will allow the complete understanding of the parameters of the compact models of the electronic devices used in the circuit design, in particular those related to the integrated digital design, the ability to interact with device simulators and the ability to perform the basic electrical measurements for characterization of semiconductor devices.

Metodi didattici

Il corso è composto di lezioni (teoria) ed esercitazioni. Le lezioni si svolgono attraverso la proiezione di slide e materiale didattico messo a disposizione dal docente. Le esercitazioni riguardano la risoluzione di problemi supportati da codice e simulazione di dispositivo al calcolatore. Sono inoltre previste esperienze in laboratorio di caratterizzazione elettrica.

Teaching Methods

The course consists of lessons (theory) and exercises. Lessons take place through the projection of slides and teaching material made available by the teacher. The exercises concern the resolution of problems supported by code and computer device simulation. There will also be experiences in the electrical characterization laboratory.

Prerequisiti

Per affrontare il corso di Dispositivi Elettronici sono necessarie le conoscenze di base dellelettrostatica quali i concetti di campo, forza e potenziale.

Prerequisites

To face the course of "Electronic Devices" the basic knowledge of electrostatics is needed such as the concepts of field, force and potential.

Verifiche dell'apprendimento

La verifica consiste nella preparazione di un elaborato che include una discussione del problema sotto esame, e la risoluzione attraverso lausilio di codice e simulazione di dispositivo, e relativa discussione. La valutazione finale può essere integrata, a scelta dello studente, con una discussione orale in forma open-book. Gli studenti che frequentano il corso possono dividere la parte relativa allelaborato attraverso lo svolgimento di due prove parziali da effettuare in itinere.

Assessment

The verification consists in the preparation of a paper that includes a discussion of the problem under examination, and resolution through the use of code and device simulation, and related discussion. The final evaluation can be integrated, at the option of the student, with an oral discussion in an open-book form. Students who attend the course can divide the part related to the paper by conducting two partial tests to be carried out during the course.

Programma del Corso

Il corso è suddiviso in 3 parti: teoria dei semiconduttori, dispositivi a giunzione, transistore MOSFET. Nella prima parte vengono approfonditamente studiate le proprietà dei semiconduttori: bande di energia e proprietà statistiche, tecnologia e drogaggio, concetti di equilibrio e di quasi-equilibrio, comportamento con la temperatura, trasporto per deriva e mobilità, trasporto per diffusione, meccanismi di generazione-ricombinazione, modello deriva-diffusione, caratterizzazione elettrica. Nella seconda parte viene studiata la giunzione PN (elettrostatica, teoria di Shockley, effetti capacitivi, resistenze serie e breakdown, tecnologia), la giunzione metallo-semiconduttore (elettrostatica e principali meccanismi di conduzione), e il transistor bipolare (elettrostatica, modello di Ebers-Moll, caratteristiche di uscita, effetto Early, guadagno di corrente reale, breakdown, tecnologia, modello di ampio e piccolo segnale). Nella terza parte viene studiata la struttura Metallo-Isolante-Semiconduttore (elettrostatica, regioni di funzionamento, caratteristica CV, sistemi MIS reali, cariche nellisolante, tensione di banda piatta, meccanismi di conduzione, breakdown) e il transistore MOSFET (principio di funzionamento, correnti ION/IOFF, controllo del canale, modelli corrente-tensione square-law e bulk, mobilità efficace, dipendenza dalla temperatura, effetto body, effetti capacitivi e modello di Meyer, correnti di leakage, caratterizzazione elettrica).

Course Syllabus

The course is divided into 3 parts: semiconductor theory, junction devices, MOSFET transistor. In the first part the properties of semiconductors are studied in depth: energy bands and statistical properties, technology and doping, equilibrium and quasi-equilibrium concepts, temperature behavior, drift and mobility transport, diffusion transport, generation-recombination mechanisms, drift-diffusion model, electrical characterization. In the second part the PN junction is studied (electrostatic, Shockley theory, capacitive effects, series and breakdown resistances, technology), the metal-semiconductor junction (electrostatic and main conduction mechanisms), and the bipolar transistor (electrostatic, Ebers-Moll model, output characteristics, Early effect, real current gain, breakdown, technology, wide and small signal model). In the third part, the Metal-Insulator-Semiconductor structure is studied (electrostatics, operating regions, CV characteristics, real MIS systems, insulation charges, flat band voltage, conduction mechanisms, breakdown) and the MOSFET transistor (operating principle , ION / IOFF currents, channel control, square-law and bulk current-voltage models, effective mobility, temperature dependence, body effect, capacitive effects and Meyer model, leakage currents, electrical characterization).