DISPOSITIVI ELETTRONICI

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICA Corso di laurea magistrale in Ingegneria elettronica Anno accademico 205/206 - anno DISPOSITIVI ELETTRONICI ING-INF/0-9 CFU - semestre Docente titolare dell'insegnamento GIANLUCA GIUSTOLISI gianluca.giustolisi@unict.it Edificio / Indirizzo: DIEEI - Viale A. Doria 6, Catania - ed. 3 (5 piano) - stanza 37 Telefono: Orario ricevimento: Le modalità di ricevimento sono pubblicate su OBIETTIVI FORMATIVI Fornire le nozioni di base della fisica dei semiconduttori e la modellistica dei principali dispositivi elettronici (diodi, transistori bipolari e transistori MOS PREREQUISITI RICHIESTI Sono richieste le conoscenze di matematica, fisica ed elettronica normalmente fornite in un corso triennale nella classe L-8 "Ingegneria dell'informazione". FREQUENZA LEZIONI La frequenza non è obbligatoria, seppur fortemente consigliata. CONTENUTI DEL CORSO. Struttura cristallina nei solidi Materiali semiconduttori, cristalli, indici di Miller. Legami atomici. Imperfezioni e impurità. 2. Tecnologia planare Crescita del cristallo. Ossidazione termica. Diffusione termica. Impiantazione ionica. Formazione di film sottili. Litografia ed attacco. Processi bipolare e CMOS. 3. Introduzione alla meccanica quantistica Principi fondamentali. L'equazione di Schrödinger. Applicazioni dell'equazione di Schrödinger. L'atomo di idrogeno.

2 4. I solidi e la meccanica quantistica Bande di energia. Modello di Kronig-Penney. Diagramma E-k. Conduzione elettrica. Massa efficace. Concetto di lacuna. Funzione densità degli stati. Statistica di Fermi-Dirac. Energia di Fermi. 5. Semiconduttori in equilibrio Concentrazione dei portatori di carica. Atomi droganti e livelli energetici. Semiconduttori estrinseci. Statistica dei donori e degli accettori. Neutralità di carica. Livello di Fermi. 6. Fenomeni di trasporto Deriva dei portatori. Mobilità, resistività e conducibilità. Diffusione di portatori. Relazione di Einstein. Effetto Hall. 7. Semiconduttori in non-equilibrio Processi di generazione e ricombinazione. Generazione/ricombinazione diretta. Fenomeni di iniezione di portatori. Eccesso di portatori. Equazione di continuità. Trasporto ambipolare. Rilassamento dielettrico. Esperimento di Haynes-Shockley. Quasi-livelli di Fermi. Teoria della ricombinazione SHR. Tempi di vita dei portatori. Ricombinazione Auger. 8. Giunzione pn Condizioni di equilibrio. Regione di carica spaziale, campo elettrico, potenziale. Polarizzazione inversa. Capacità di giunzione. Giunzioni non uniformi. Giunzioni iperbrusche. 9. Diodo a giunzione Caratteristica I-V. Diodo a base lunga e a base corta. Ammettenza di piccolo segnale. Effetti di generazione e ricombinazione. Fenomeni di rottura della giunzione. 0. Giunzioni metallo-semiconduttore Barriera Schottky. Caratteristica I-V. Corrente di deriva/diffusione ed emissione termoionica. Contatti Ohmici. Barriera tunnel.. Transistore bipolare Regioni di funzionamento. Distribuzione dei portatori minoritari. Guadagno di corrente di base-comune. Efficienza di emettitore, fattore di trasporto in base e fattore di ricombinazione. Effetti di secondo ordine. Modello di Ebers-Moll. Modello di Gummel-Poon. Modello Ibrido-Pi. Limitazioni in frequenza. 2. Condensatore MOS Regioni di funzionamento. Accumulazione, svuotamento, debole e forte inversione. Tensione di banda piatta. Tensione di soglia. Distribuzioni di carica. Caratteristica C-V. 3. Transistore MOS Regioni di funzionamento. Caratteristica I-V. Tecnologie CMOS. Effetti di secondo ordine. TESTI DI RIFERIMENTO. Donald Neamen, Semiconductor physics and devices: basic principles, McGraw Hill 2. G. Giustolisi, G. Palumbo, Introduzione ai dispositivi elettronici, Franco Angeli 3. S. Dimitrijev, Understanding semiconductor devices, Oxford University Press, R. S. Muller, T. I. Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, John Wiley & Sons, 986

3 PROGRAMMAZIONE DEL CORSO * Argomenti Riferimenti testi Materiali semiconduttori, cristalli, indici di Miller. Legami atomici. Imperfezioni e impurità. 2 * Crescita del cristallo. Ossidazione termica. Diffusione termica. Impiantazione ionica. Formazione di film sottili. Litografia ed attacco. Processi bipolare e CMOS. 3 Principi fondamentali. L'equazione di Schrödinger. Applicazioni dell'equazione di Schrödinger. L'atomo di idrogeno. 4 Bande di energia. Modello di Kronig-Penney. Diagramma E-k. Conduzione elettrica. Massa efficace. Concetto di lacuna. Funzione densità degli stati. Statistica di Fermi-Dirac. Energia di Fermi. 5 * Concentrazione dei portatori di carica. Atomi droganti e livelli energetici. Semiconduttori estrinseci. Statistica dei donori e degli accettori. Neutralità di carica. Livello di Fermi. 6 * Deriva dei portatori. Mobilità, resistività e conducibilità. Diffusione di portatori. Relazione di Einstein. Effetto Hall. 7 Generazione/ricombinazione diretta. Iniezione di portatori. Equazione di continuità. Trasporto ambipolare. Rilassamento dielettrico. Esperimento di Haynes-Shockley. Quasi-livelli di Fermi. Ricombinazione SHR. Tempi di vita. Ricombinazione Auger. 8 Giunzione pn: Condizioni di equilibrio. Regione di carica spaziale, campo elettrico, potenziale. Polarizzazione inversa. Capacità di giunzione. Giunzioni non uniformi. Giunzioni iperbrusche. 9 Caratteristica I-V della giunzione pn. Diodo a base lunga e a base corta. Ammettenza di piccolo segnale. Effetti di generazione e ricombinazione. Fenomeni di rottura della giunzione. 0 Barriera Schottky. Caratteristica I-V. Corrente di deriva/diffusione ed emissione termoionica. Contatti Ohmici. Barriera tunnel. * Regioni di funzionamento. Distribuzione dei portatori minoritari. Guadagno di corrente di base-comune. Efficienza di emettitore, fattore di trasporto in base e fattore di ricombinazione. Effetti di secondo ordine. Modello di Ebers-Moll. Modello di Gummel- 2 * Regioni di funzionamento del condensatore MOS. Accumulazione, svuotamento, debole e forte inversione. Tensione di banda piatta. Tensione di soglia. Distribuzioni di carica. Caratteristica C-V. 2,2,4,2,2,2,2

4 3 * Regioni di funzionamento del transistore MOS. Caratteristica I-V. Tecnologie CMOS. Effetti di secondo ordine.,2 * Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame. N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame. MATERIALE DIDATTICO La piattaforma studium.unict.it contiene Le slide del corso I compiti di esame VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO L'esame consiste in una prova scritta e in colloquio orale. DATE DEGLI APPELLI Il calendario degli esami è pubblicato sul portale studenti ( e sul sito del Corso di Studi ( PROVE IN ITINERE Non sono previste prove in itinere PROVE DI FINE CORSO Non sono previste prove di fine corso. ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI Ossidazione termica Elettrone in buca di potenziale infinita Modello di Kronig-Penney Semiconduttori estrinseci Trasporto ambipolare Ricombinazione SHR Corrente nel diodo Correnti di generazione e ricombinazione Effetto transistore Effetto Schottky Regioni di funzionamento del condensatore MOS

5 Nota: Le domande sono riportate a titolo di esempio.