FISICA DEI DISPOSITIVI INTEGRATI
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 in grado di capire e discuterne criticamente le prestazioni. 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 terzo anno del Corso di Laurea triennale in Tecnologie dell'Informazione e comporta un impegno di 40 ore di lezione frontale.
Si richiede il superamento di una prova orale, che porta all'acquisizione di 4 crediti.
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
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
Il diodo a giunzione: circuito raddrizzatore, diodo Zener, porte OR/AND a diodi
(*) Tecniche di fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore 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
Altri dispositivi a semiconduttore: fotodiodo, fototransistor, cella fotovoltaica, dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD): struttura, principio di funzionamento e applicazioni.
(*) 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