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Paolo PAVAN
Professore Ordinario
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Electron Devices and Components
Electronics Engineering - Ingegneria Elettronica (Offerta formativa 2020)
Obiettivi formativi
- Conoscenza panoramica dei dispositivi a semiconduttore disponibili per le diverse applicazioni
- Comprensione del funzionamento di base dei dispositivi elementari unipolari e bipolari.
- Comprensione del legame tra parametri tecnologici, geometrici e fisici e le prestazioni del dispositivo.
- Comprensione del modello ohmico diffusivo dei dispositivi elettronici.
- Comprensione delle funzioni e del funzionamento di dispositivi di memoria a semiconduttore e di circuiti di memoria
- Comprensione dei problemi di affidabilità dei dispositivi a semiconduttore
Prerequisiti
Nozioni elementari di fisica certamente acquisite in qualunque corso di laurea triennale di ambito scientifico.
La conoscenza di alcuni fondamenti di elettronica, pur non essendo un prerequisito, può migliorare apprezzabilmente la fruizione del corso.
Programma del corso
Il corso illustra il funzionamento dei principali dispositivi micro e nano-elettronici a semiconduttore e la dipendenza delle loro prestazioni dai parametri geometrici, fisici e tecnologici. Il corso comprende elementi base delle tecnologie microelettroniche di fabbricazione.
Basi: elettroni nei cristalli; diagramma a bande; densità degli stati; semiconduttori intrinseci; livello di Fermi; portatori di carica. Il modello ohmico-diffusivo: equazione di Poisson; equazioni di continuità e del trasporto; mobilità, fenomeni di generazione e ricombinazione (1.5 CFU).
Tecnologie di micro e nanofabbricazione: litografia; deposizione; crescita; attacco, impiantazione, diffusione; processo CMOS esempi di fabbricazione (1 CFU).
Giunzioni p-n e metallo-semiconduttore, contatti ohmici, comportamento statico e dinamico (elementi); tempo di vita e di rilassamento dielettrico, nozioni elementari su diodi LED, pin e celle solari (1 CFU).
Il condensatore MOS: comportamento statico. Curve capacità tensione, circuito equivalente, effetti delle non idealità dei materiali. (1 CFU).
Il transistore MOS: comportamento statico: tensione di soglia e caratteristiche corrente-tensione. Effetti del secondo ordine; effetti di canale corto, degrado di mobilità. Accenno a MESFET ed HEMT (1.5 CFU).
Booster tecnologici per CMOS di avanguardia: materiali ad alta mobilità e alta costante dielettrica, stress e strain, architetture FDSOI, Nanowires e sheets, FinFET, Steep-slope FETs (1 CFU)
Memorie a semiconduttore: volatili (SRAM, DRAM), nonvolatili (basate su dispositivo a gate flottante e a intrappolamento di carica) (1 CFU)
Variabilità ed affidabilità: breakdown dell'isolante (TDDB), statistica di Weibull, NBTI/PBTI, RTN, variabilità nel processo CMOS e nei dispositivi MOSFETs, legge di Pelgrom (1 CFU)
Metodi didattici
Front lectures, multimedia tools, tutorials, homeworks, lab activities, seminars.
The front lectures will be held on line (streaming and recorded), with the support of simulation software; they account for about 70% of the total lectures.
Exercises and discussion of component's datasheet (up to about 10% of the lectures)
Laboratory activities may be carried out:
a) remotely via virtualization of laboratory equipment;
b) at home through the use of appropriate kits prepared by the teacher and video tutorial showing the activity.
Simulation activities will be based on the www.nanohub.org portal.
Work group activities will be held on-line by using proper software platforms.
ON-line seminars by external experts will be organized compatibly with COVID-19 restrictions.
Testi di riferimento
- lecture notes, auxiliary material available on Dolly
- C.Hu Modern semiconductor devices for integrated circuits, Pearson (chapters and slides available online): contains the minimum set of notions necessary to pass the exam except for the part on bioelectronics.
- D.Neamen, "Semiconductor Physics and Devices", McGraw Hill
- B. G. Streetman, S.K.Banerjee, ''Solid State Electronic Devices'', 6th ed. Prentice Hall
For consultation on specific topics:
- Y.Taur, T. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge
- G. Ghione, Dispositivi per la microelettronica, McGraw-Hill (elements of fabrication technologies)
- J. P. Colinge, Semiconductor device physics
- Muller-Kamins, Device electronics for Integrated circuits, Wiley
Verifica dell'apprendimento
Esame orale in modalità remota (in media da 30 a 60 minuti) comprendente quesiti a riposta libera (esempi forniti ed erogati su Dolly), la valutazione degli Homeworks e quesiti di interpretazione delle caratteristiche di dispositivi elettronici elementari basati sui tool ABACUS di nanohub.org
Risultati attesi
Capacità di analizzare dispositivi elettronici in termini di diagrammi a bande e modello ohmico diffusivo.
Capacità di progettare dispositivi elettronici e prevederne le caratteristiche utilizzando strumenti di simulazione disponibili e basati sul modello ohmico diffusivo.
Capacità di scegliere componenti elettronici adeguati alle specifiche e alle applicazioni sulla base di conoscenze della tecnologia di fabbricazione e delle caratteristiche fisiche e geometriche del dispositivo.