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Dispositivi a semiconduttore ( 9 CFU )
Prof. Roberto Menozzi
     Tel. +39 0521 905832 - Fax. +39 0521 905822           E-mail. roberto.menozzi@unipr.it           Home page. http://www2.unipr.it/~menrob10/

Finalità
Obiettivo del corso è fornire agli studenti una conoscenza basilare dei fenomeni fisici fondamentali che regolano il funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore di segnale e di potenza.

Programma
1) Cenni di fisica dei semiconduttori.
Semiconduttori all’equilibrio. Legge dell’azione di massa. Statistiche di Fermi-Dirac e di Maxwell-Boltzmann. Densità di stati. Livello di Fermi e livello di fermi intrinseco. Pseudolivelli di Fermi. Portatori liberi nei semiconduttori. Mobilità. Velocità di saturazione. Corrente di diffusione. Corrente e pseudolivelli di Fermi.
2) Contatti metallo-semiconduttore.
Giunzione metallo-semiconduttore all’equilibrio. Image-force barrier lowering. Caratteristiche I-V delle giunzioni M-S. Contatti ohmici. Effetti di superficie.
3) Giunzioni pn e p-i-n.
Distribuzioni non uniformi di drogaggio. Guinzione p-n all’equilibrio. Lunghezza di Debye. Polarizzazione inversa. Capacità di una guinzione in inversa. Breakdown a valanga ed effetto Zener. Equazioni di continuità. Generazioni e ricombinazioni Shockley-Hall-Read. Ricombinazioni Auger e superficiali. Caratteristica I-V del diodo p-n. Diodi a base lunga e diodi a base corta. Discussione delle approssimazioni di basse iniezioni e di quasi-equilibrio. Correnti nella zona di carica spaziale. Correnti di generazione-ricombinazione in polarizzazione diretta e inversa. Transitori di commutazione. Capacità di diffusione.
Diodi p-i-n. Struttura, caratteristiche statiche e dinamiche.
4) Transistore Bipolare a Giunzione (BJT).
Zona attiva diretta. Fattore di trasportoin base. Efficienza di emettitore. Commutazione dei BJT. Modello di Ebers-Moll. Effetto early. BJT integrati. Effetti delle basse iniezioni. Alte iniezioni: effetto Kirk, resistenza di base. Tempo di transito in base. Modello a controllo di carica. Modello a piccolo segnale. Limitazioni in frequenza: fT e fMAX. Transistori pnp di substrato e laterali.
BJT di potenza. Struttura, caratteristiche statiche e dinamiche.
5) Tiristori (SCR) e GTO.
Struttura, caratteristiche statiche e dinamiche.
6) Transistore MOS (MOSFET).
Sistemi MOS ideali. Struttura delle bande. Accumulazione, svuotamento, inversione, forte inversione. Tensione di soglia ed effetto body. caratteristica C-V del sistema MOS ideale. Sistemi MOS non ideali. cariche nell’ossido e all’interfaccia. MOSFET. Effetto body. Effetto della carica di bulk. Aggiustamento della tensione di soglia. Corrente sotto-soglia. Effetti di canale corto e di canale stretto. Source/Drain charge sharing. Drain-Induced barrier lowering. Sub-surface punch-trhough. Riduzione della mobilità. Saturazione della velocità. Corrente di drain nei MOSFET a canale corto. Effetto dello scaling sui MOSFET a canale corto. Campi elettrici nella regione di velocità saturata: modello quasi-2D. Effetti dei portatori caldi: corrente di substrato e corrente di gate.
MOSFET di potenza. Struttura, caratteristiche statiche e dinamiche.
7) IGBT.
Struttura, caratteristiche statiche e dinamiche.
8) Cenni sui dispositivi elettronici a semiconduttori composti e ad eterogiunzione (MESFET, HEMT, PHEMT, HBT).
9) Dispositivi optoelettronici.
Proprietà ottiche dei semiconduttori. Fotocorrente in un diodo pn. Fotorivelatori conduttivi. Fotorivelatori p-i-n. Fotodiodo a valanga (APD). Fototransistor. Rivelatori metallo-semiconduttore. LED. Laser.
10) Cenni di meccanica quantistica e di stuttura dei semiconduttori.
Cenni intoduttivi di meccanica quantistica. Distribuzioni di occupazione degli stati elettronici. Struttura cristallina dei semiconduttori. Struttura delle bande.


Modalità d'esame
L’esame consiste in una prova orale.

Propedeuticità
Si presuppone nello studente la familiarità con le nozioni di matematica, fisica, chimica, elettrotecnica ed elettronica impartite dal Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica.

Testi consigliati
1) R. S. Muller, T. I. Kamins, P. K. Ko, “Device Electronics for Integrated Circuits,” 3rd Edition, John Wiley & Sons, 2003. ISBN: 0-471-42877-9.
2) J. Singh, "Semiconductor Devices - An Introduction," McGraw-Hill, 1994, ISBN: 0-07-057625-4.
3) N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, “Power Electronics: Converters, Applications, and Design,” 3rd Ed., John Wiley, 2003.

Testi d'approfondimento
1) W. A. Harrison, “Applied quantum mechanics,” World Scientific, 2000, ISBN: 9810243758.
2) P. Hofmann, "Solid State Physics - An Introduction," Wiley-VCH, 2008, ISBN: 978-3-527-40861-0.
 
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