FISICA GENERALE
Francesca Monti, A.A. 2001-2002
Scopo del corso è fornire allo studente la conoscenza dei principi fisici di funzionamento dei dispositivi a semiconduttore e delle porte logiche realizzate mediante la tecnologia planare dei circuiti integrati, mettendolo tra l'altro in grado di capire e discutere criticamente le prestazioni delle diverse famiglie logiche in termini dei parametri fisici che ne caratterizzano il comportamento. Più in generale, il corso si pone l'obiettivo di stimolare lo spirito critico e la sensibilità dello studente verso le grandezze fisiche in gioco, insegnandogli ad analizzare e valutare il comportamento dei sistemi fisici studiati.
Il corso viene offerto al I periodo del quarto e quinto anno del Corso di Laurea in Informatica (vecchio ordinamento) e comporta un impegno di 54 ore di lezione frontale, corrispondenti ad una unità didattica.
Si richiede il superamento di una prova orale.
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: 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
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: JFET, principio di funzionamento, caratteristica corrente-tensione; 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.
TESTI DI RIFERIMENTO
Dispense delle lezioni (presso la portineria di Ca' Vignal 2)
J. Millman, Circuiti e sistemi microelettronici, ed. Bollati Boringhieri
E. Burattini-C. Sciacca, Misure elettriche e fondamenti di elettronica, ed. Liguori (esaurito)
J. Millman-C. Halkias, Microelettronica, ed. Bollati Boringhieri
J. Millman-A. Grabel, Microelettronica, ed. McGraw-Hill
P. Spirito, Elettronica digitale, ed. McGraw-Hill
G. Soncini, Tecnologie microelettroniche, ed. Boringhieri