Fisica dei dispositivi integrati (2008/2009)

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.

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

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