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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 (D.M.270/04) (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
- Panoramica dei dispositivi a semiconduttore disponibili per differenti applicazioni.
- Comprensione dei meccanismi fisici di funzionamenti dei dispositivi transistor bipolari e metallo-ossido-semiconduttore.
- Comprensione delle implicazioni della geometria, della tecnologia e dei parametri fisici sulle prestazioni dei dispositivi.
- Comprensione del modello di deriva-diffusione.
- Comprensione dei principi di funzionamento delle principali memorie elettroniche.
- Comprensione dei principali meccanismi di degradazione dei dispositivi e circuiti elettronici.
Prerequisiti
Conoscenza base della lingua Inglese di livello B2, come specificato nella descrizione generale del Corso di Laurea Magistrale in Electronics Engineering.
Nozioni elementari di fisica come insegnate in qualsiasi Corso di Laurea Triennale a carattere scientifico.
Sebbene non costituisca prerequisito, nozioni elementari di elettronica si dimostrano molto utili.
Programma del corso
Le lezioni illustrano i principi di funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore micro e nanoelettronici e la relazione tra i parametri fisici/geometrici/tecnologici e le prestazioni. Completano gli argomenti del corso nozioni elementari di tecnologia di fabbricazione microelettronica.
Nozioni di base: proprietà elettroniche dei cristalli; diagrammi a bande; semiconduttori intrinseci e drogati; livello di Fermi; portatori di carica; modello di deriva-diffusione; equazione di Poisson; equazioni di continuità e di trasporto; processi di generazione/ricombinazione. Generatori termoelettrici e rivelatori di radiazione (1.5 CFU).
Tecnologia di microfabbricazione: litografia, deposizione, attacco, accrescimento; processo CMOS ed esempi di fabbricazione (1 CFU).
Giunzioni a semiconduttore: giunzioni p-n e giunzioni semiconduttore-metallo; contatti, caratteristiche statiche e dinamiche, tempo di vita dei portatori di carica e tempo di rilassamento dielettrico, nozioni di base su celle solari, LED e diodi p-i-n (1 CFU).
Il condensatore MOS: comportamento statico; curve di tensione-capacità; circuito equivalente. (1 CFU).
Il transistor MOS: comportamento statico; tensione di soglia e curve IV. Effetti del secondo ordine, effetti di canale corto e degradazione della mobilità. Elementi essenziali di MESFET e HEMT (1.5 CFU).
Technology Booster per dispositivi CMOS avanzati: materiali per canali ad alta mobilità, dielettrici high-k, stress e strain, architetture MOSFET avanzate: FDSOI, nanowires, FinFET, Nanosheet, transistor Steep-Slope (1 CFU).
Memorie a semiconduttore: volatili (SRAM, DRAM) e non volatili (basate su dispositivi floating gate e charge trapping) (1 CFU).
Variabilità e affidabilità: breakdown del dielettrico (TDDB), statistica di Weibull, NBTI/PBTI, RTN, variabilità di processo e relativi effetti nei dispositivi MOSFET, legge di Pelgrom (1 CFU).
Metodi didattici
Il corso è tenuto interamente in lingua inglese, tramite lezioni frontali, strumenti multimediali, esercitazioni, compiti a casa, attività di laboratorio, seminari.
Le lezioni potranno essere tenute on line (in streaming e registrate) o in presenza a seconda dell'evoluzione dell'emergenza COVID-19. Le lezioni frontali rappresentano circa il 70% del totale delle lezioni.
Allo stesso modo, le attività di laboratorio possono essere svolte:
a) da remoto tramite virtualizzazione delle apparecchiature di laboratorio;
b) a casa mediante l'utilizzo di appositi kit preparati dal docente e video tutorial che mostrano l'attività.
c) in presenza.
Esercitazioni e discussione della scheda del componente (fino a circa il 10% delle lezioni).
Le attività di simulazione si baseranno sul portale www.nanohub.org.
Le attività di gruppo si svolgeranno on-line utilizzando apposite piattaforme software.
Saranno organizzati seminari di esperti esterni compatibilmente con le eventuali restrizioni COVID-19.
Testi di riferimento
- Appunti delle lezioni, materiale ausiliario su Dolly
- C.Hu, "Modern semiconductor devices for integrated circuits", Pearson (capitoli e slides disponibili online).
- D.Neamen, "Semiconductor Physics and Devices", McGraw Hill
- B. G. Streetman, S.K.Banerjee, "Solid State Electronic Devices", 6th ed. Prentice Hall
Per consultazione su argomenti specifici:
- Y.Taur, T. Ning, "Fundamentals of Modern VLSI Devices", Cambridge
- G. Ghione, "Dispositivi per la microelettronica", McGraw-Hill (elementi di tecnologie di fabbricazione)
- J. P. Colinge, "Semiconductor device physics"
- Muller-Kamins, "Device electronics for Integrated circuits", Wiley
- 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 (30-60 minuti in media) che include domande a risposta aperta e multipla (esempi accessibili su Dolly) basate parzialmente sui compiti assegnati e sull'intepretazione delle curve caratteristiche dei dispositivi elettronici sfruttando il tool ABACUS su nanohub.org.
Risultati attesi
Capacità di analizzare il comportamento di dispositivi a semiconduttore utilizzando diagrammi di banda e il modello di deriva-diffusione.
Capacità di progettare dispositivi elettronici e prevederne le caratteristiche utilizzando il modello di deriva-diffusione..
Capacità di selezionare e scegliere componenti elettronici adeguati a soddisfare determinate specifiche tenendo conto della tecnologia di fabbricazione, delle caratteristiche fisiche e geometriche del dispositivo e delle applicazioni.