The Physics of Integrated Devices (2005/2006)

Course partially running

Course code
4S00034
Name of lecturer
Francesca Monti
Number of ECTS credits allocated
5
Academic sector
FIS/01 - EXPERIMENTAL PHYSICS
Language of instruction
Italian
Location
VERONA
Period
First four month term for the second and later years dal Oct 3, 2005 al Dec 2, 2005.

Lesson timetable

Learning outcomes

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.

Syllabus

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

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

Reference books
Author Title Publisher Year ISBN Note
Jacob Millman Circuiti e sistemi microelettronici (Edizione 1) Bollati-Boringhieri 1994 8833950026
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

Assessment methods and criteria

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

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