Obiettivi Formativi

Fornire allo studente le conoscenze relative alle problematiche tecnologiche e di funzionamento dei principali dispositivi elettronici moderni, ai metodi convenzionali e avanzati di misura per la loro caratterizzazione elettrica e ai principi di funzionamento della strumentazione dedicata. Fornire allo studente la capacità di progettare applicazioni di misura per la caratterizzazione di dispositivi elettronici, assieme alla capacità di interpretare criticamente i risultati. Favorire lo sviluppo dell’autonomia dello studente nella scelta dei metodi di caratterizzazione e della strumentazione più adatta per l’osservazione del comportamento dei dispositivi da sottoporre a test. Favorire la capacità di esprimersi con adeguato linguaggio ai fini della corretta comunicazione delle scelte tecniche adottate e dei risultati sperimentali ottenuti. Sviluppare l’autonoma capacità di aggiornamento in un settore, come quello dei dispositivi elettronici, che è caratterizzato da rapida e costante evoluzione tecnologica.

Learning Goals

To provide the students with the knowledge about the technological and functional aspects of the main modern electronic devices, about the conventional and advanced measurement methods for their electrical characterization and about the operating principles of the dedicated instrumentation employed to this purpose. To provide the students with the ability to design measurement applications for the characterization of electronic devices, together with the ability to critically interpret the results. To promote the development of autonomy in the choice of the characterization methods and of the most suitable instrumentation setup for observing the behavior of the devices to be tested. To promote the ability to express oneself with proper language in order to correctly communicate the adopted technical choices and the experimental results obtained. To develop the ability of updating knowledge in the field of electronic devices, which is characterized by rapid and constant technological evolution.

Metodi didattici

Il corso è composto di lezioni (teoria), esercitazioni in aula e in laboratorio. Le lezioni si svolgono attraverso la proiezione di slide e materiale didattico messo a disposizione dal docente. Le esercitazioni in laboratorio riguardano i metodi convenzionali di misura per la caratterizzazione elettrica e i principi di funzionamento della strumentazione dedicata.

Teaching Methods

The course consists of lessons (theory), classroom and laboratory exercises. The lessons take place through the projection of slides and didactic material made available by the teacher. The laboratory exercises concern conventional measurement methods for electrical characterization and the operating principles of dedicated instrumentation.

Prerequisiti

Principi di funzionamento dei principali componenti elettronici, elementi di teoria della misura e strumentazione per misure elettroniche.

Prerequisites

Principles of operation of the main electronic components, elements of measurement theory and instrumentation for electronic measurements.

Verifiche dell'apprendimento

Lo studente può scegliere tra due opzioni di verifica. Nella prima opzione la verifica consiste nella preparazione di un elaborato da svolgere a casa che include una discussione del problema sotto esame, la risoluzione attraverso l’ausilio di codice numerico e la simulazione di dispositivo. L’elaborato va richiesto al docente almeno una settimana prima della data fissata per l’esame, giorno nel quale avverrà la discussione orale di verifica. L’elaborato va consegnato al docente entro 48 ore dal momento della ricezione. La seconda opzione consiste in una prova orale sui contenuti del corso.

Assessment

The student can choose between two verification options. In the first option, the verification consists in the preparation of a presentation to be carried out at home which includes a discussion of the problem under examination, the resolution through the use of numerical code and device simulation. The presentation must be requested from the teacher at least one week before the date set for the exam, the day on which the oral examination will take place. The paper must be delivered to the teacher within 48 hours of receipt. The second option consists of an oral exam on the course contents.

Programma del Corso

INTRODUZIONE AL CORSO. Introduzione alla strumentazione di misura e alla caratterizzazione dei dispositivi elettronici. ELEMENTI DI ELETTRONICA DELLO STATO SOLIDO E TECNOLOGIA DEI DISPOSITIVI. Semiconduttori omogenei: equilibrio, bande di energia, meccanismi di generazione-ricombinazione, drogaggio e tecnologia del substrato, non equilibrio, drift, conducibilità, legge di Ohm, misure di resistività. Semiconduttori non omogenei: diffusione, tecnologia dei circuiti integrati. Modellizzazione e simulazione dei dispositivi elettronici a semiconduttore. DIODO A GIUNZIONE PN E METODI DI CARATTERIZZAZIONE. Struttura e principio di funzionamento. Elettrostatica. Teoria di Schokley. Caratteristica corrente-tensione reale: resistenze serie, breakdown, corrente di generazione-ricombinazione. Caratterizzazione della giunzione attraverso misure corrente-tensione. Effetti capacitivi. Misure di drogaggio attraverso misure di capacità-tensione. Il rumore nei diodi a giunzione. TRANSISTOR MOSFET E METODI DI CARATTERIZZAZIONE. La struttura Metallo-Ossido-Semiconduttore. Il transistor MOSFET: principio di funzionamento e modelli corrente-tensione bulk e square-law, modelli di mobilità. Metodi di caratterizzazione attraverso misure corrente-tensione: misura delle correnti ON/OFF, pendenza di sottosoglia, tensione di soglia, resistenza serie, lunghezza di canale. Metodi di caratterizzazione attraverso misure capacità-tensione: drogaggio di substrato, spessore dell’ossido, difetti nel dielettrico. Il rumore nei transistor MOSFET: modelli number fluctuation, mobility fluctuation, modelli correlati. Misure di difettosità attraverso misure di rumore. IL RUMORE ELETTRICO. Definizione di rumore elettrico e modellizzazione. Sorgenti di rumore: rumore termico, shot, generazione-ricombinazione, flicker. Rumore nei dispositivi elettronici e negli amplificatori operazionali. Analisi di rumore nei circuiti. Simulazione di rumore elettrico con SPICE. SISTEMI DI MISURA. Caratteristiche degli strumenti di misura. Disturbi nei sistemi di misura. Setup di misura e interconnessioni. Limiti teorici di misura. Misure ad elevata sensibilità in continua di tensione e corrente: nanovoltmetro, picoamperometro. Misure di resistenza e impedenza. Strumenti per la misura delle caratteristiche corrente-tensione (source and measurement units) e impedenza (LCR meter). SISTEMI DI MISURA AD ELEVATA SENSIBILITA’. Sistemi di misura di rumore a bassa frequenza ad elevata sensibilità. Amplificatore di tensione e di transimpedenza. Sistemi di polarizzazione. Sistemi di analisi spettrale FFT. Metodi di misura per misure di rumore di tensione/corrente.

Course Syllabus

INTRODUCTION. Introduction to measurement instrumentation and to the characterization of electronic devices. ELEMENTS OF SOLID STATE ELECTRONICS AND DEVICE TECHNOLOGY. Homogeneous semiconductors: equilibrium, energy bands, generation-recombination mechanisms, doping and substrate technology, non-equilibrium, drift, conductivity, Ohm's law, resistivity measurements. Inhomogeneous semiconductors: diffusion, integrated circuit technology. Modeling and simulation of semiconductor electronic devices. PN JUNCTION DIODE AND CHARACTERIZATION METHODS. Structure and principle of operation. Electrostatics. Schokley's theory. Real current-voltage characteristic: series resistors, breakdown, generation-recombination current. Characterization of the junction through current-voltage measurements. Capacitive effects. Doping measurements through capacitance-voltage measurements. The noise in the junction diodes. MOSFET TRANSISTOR AND CHARACTERIZATION METHODS. The Metal-Oxide-Semiconductor structure. The MOSFET transistor: operating principle, bulk and square-law current-voltage models, mobility models. Characterization methods through current-voltage measurements: measurement of ON / OFF currents, sub-threshold slope, threshold voltage, series resistance, channel length. Characterization methods through capacitance-voltage measurements: substrate doping, oxide thickness, defects in the dielectric. Noise in MOSFET transistors: number fluctuation model, mobility fluctuation model, correlated models. Measurements of defects through noise measurements. THE ELECTRIC NOISE. Definition of electrical noise and modeling. Noise sources: thermal noise, shot noise, generation-recombination noise, flicker noise. Noise in electronic devices and operational amplifiers. Noise analysis in circuits. Electrical noise simulation with SPICE. MEASURING SYSTEMS. Characteristics of measuring instruments. Disturbances in measurement systems. Measurement setup and interconnections. Theoretical limits of measurement. High sensitivity continuous voltage and current measurements: nanovoltmeter, picoammeter. Resistance and impedance measurements. Instruments for measuring current-voltage characteristics (source and measurement units) and impedance (LCR meter). HIGH SENSITIVITY MEASURING SYSTEMS. High sensitivity low frequency noise measurement systems. Voltage and transimpedance amplifier. Polarization systems. FFT spectral analysis systems. Measurement methods for voltage / current noise measurements.