Fisica dei dispositivi integrati (2008/2009)

Corso a esaurimento

Codice insegnamento
4S00034
Docente
Francesca Monti
crediti
5
Settore disciplinare
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
Lingua di erogazione
Italiano
Periodo
1° Q dal 2-ott-2008 al 19-dic-2008.

Orario lezioni

1° Q
Giorno Ora Tipo Luogo Note
martedì 9.30 - 11.30 lezione Aula C  
mercoledì 14.30 - 16.30 lezione Aula C  
giovedì 12.30 - 13.30 lezione Aula C  

Obiettivi formativi

Scopo del corso è fornire allo studente la conoscenza dei principi fisici di funzionamento dei dispositivi a semiconduttore e delle porte logiche di base realizzate mediante la tecnologia planare dei circuiti integrati. L'obiettivo è di mettere lo studente in grado di confrontare le diverse famiglie logiche in termini dei parametri ficici che ne caratterizzano il comportamento e, più in generale, di stimolarne lo spirito critico e la sensibilità verso le grandezze fisiche in gioco, insegnandogli ad analizzare e valutare il comportamento dei sistemi fisici corrispondenti ad uno schema logico.

Programma

Richiami di Fisica 1 e 2:

campo elettrico, energia potenziale e potenziale, carica elementare e massa di un atomo, elettronvolt, comportamento elettrico dei materiali, dipendenza della resistività dalla temperatura

Breve introduzione alla Meccanica Quantistica (non oggetto d'esame):

Quantizzazione della luce: radiazione di corpo nero, effetto fotoelettrico; quantizzazione della materia: spettri atomici di emissione e assorbimento, modello di Bohr per l'atomo di idrogeno, esperimento di Stern-Gerlach; comportamento ondulatorio della materia: relazione di De Broglie. Principio di indeterminazione

Struttura cristallina e conduzione nei metalli e nei semiconduttori:

struttura atomica e tavola periodica degli elementi; struttura cristallina e corrente di conduzione nei metalli, modello a gas di elettroni; struttura cristallina e corrente di conduzione nei semiconduttori, modello a legame, il concetto di lacuna; semiconduttori drogati, corrente di diffusione, relazione di Einstein, corrente totale nei semiconduttori

Effetto Hall

Cenni alla teoria a bande:

banda di valenza e di conduzione, gap di energia proibita, classificazione dei materiali secondo la teoria a bande, semiconduttori drogati dal punto di vista della teoria a bande

Giunzione p-n:

giunzione non polarizzata e polarizzata, caratteristica tensione corrente per giunzioni di Silicio e di Germanio, caratteristica corrente-tensione in polarizzazione diretta e inversa, breakdown

Diodo a giunzione:

circuito raddrizzatore, diodo Zener, porte OR/AND a diodi, tempi di commutazione

(*) Tecniche di fabbricazione dei dispositivi e dei circuiti integrati:

diffusione, crescita epitassiale, impiantazione ionica; i processi fondamentali per la fabbricazione dei circuiti integrati: ossidazione, fotolitografia, drogaggio; esempio di realizzazione di un circuito integrato

Transistor a effetto di campo:

MOSFET ad arricchimento e a svuotamento, a canale n e a canale p, tecniche di realizzazione, caratteristiche di uscita e di trasferimento; invertitore ideale: margini di rumore; invertitori a MOSFET con carico resistivo, con carico attivo ad arricchimento (saturato e nella regione attiva) e con carico a svuotamento: caratteristiche di trasferimento e margini di rumore; CMOS, invertitore a CMOS: caratteristiche di trasferimento e margini di rumore

Transistor bipolare a giunzione:

non polarizzato e polarizzato, andamento delle correnti nel transistor polarizzato, effetto Early, caratteristiche di ingresso e di uscita in configurazione emettitore comune, interdizione, regione attiva e saturazione; invertitore RTL: caratteristica di trasferimento e margini di rumore, tempi di commutazione; il transistor Schottky; circuiti integrati in tecnologia bipolare, diodi, resistenze e capacità

Altri dispositivi a semiconduttore:

fotodiodo, fototransistor, cella fotovoltaica, dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD): struttura, principio di funzionamento e applicazioni

Circuiti digitali elementari:

gate di base in tecnologia MOS: NOR e NAND MOS, NOR e NAND CMOS; gate di base in tecnologia bipolare: NAND DTL, NAND HTL e NAND TTL; OR/NOR ECL; confronto tra famiglie logiche: ritardo di propagazione, potenza dissipata, fan-out

Attività di Laboratorio: verranno svolte esercitazioni che prevedono l'uso del software Spice.

(*) Parti che non sono direttamente oggetto d'esame ma i cui concetti sono fondamentali al successivo svolgimento del programma e devono essere acquisiti

Testi di riferimento
Autore Titolo Casa editrice Anno ISBN Note
Paolo Spirito Elettronica digitale (Edizione 1) McGraw-Hill 1998 8838607664
Jacob Millman, Christos C. Halkias Microelettronica (Edizione 1) Bollati-Boringhieri 1997 8833950476
Jacob Millman, Arvin Grabel Microelettronica (Edizione 2) McGraw-Hill 1994 8838606781
Giovanni Soncini Tecnologie microelettroniche (Edizione 1) Boringhieri 1986 8833953955

Modalità d'esame

Si richiede il superamento di una prova orale concernente il programma svolto a lezione.

Materiale didattico

Documenti

Statistiche per i requisiti di trasparenza (Attuazione Art. 2 del D.M. 31/10/2007, n. 544)

Statistiche esiti
Esiti Esami Esiti Percentuali Media voti Deviazione Standard
Positivi 45.0% 25 3
Respinti 13.33%
Assenti 11.66%
Ritirati 28.33%
Annullati 1.66%
Distribuzione degli esiti positivi
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 30 e Lode
3.7% 3.7% 18.5% 3.7% 3.7% 3.7% 3.7% 11.1% 11.1% 11.1% 7.4% 0.0% 14.8% 3.7%

Valori relativi all'AA 2008/2009 calcolati su un totale di 60 iscritti. I valori in percentuale sono arrotondati al numero intero più vicino.