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Dispositivi a semiconduttore ( 6 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.

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.
Distribuzioni non uniformi di drogaggio. Giunzione p-n all’equilibrio. Lunghezza di Debye. Polarizzazione inversa. Capacità di una giunzione 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.
4) Transistore Bipolare a Giunzione (BJT).
Zona attiva diretta. Fattore di trasporto in base. Efficienza di emettitore. Commutazione dei BJT. Effetto Early. BJT integrati. Effetti delle basse iniezioni. Alte iniezioni: effetto Kirk, resistenza di base. Tempo di transito in base. Limitazioni in frequenza: fT e fMAX. Transistori pnp di substrato e laterali.
5) 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. 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.
6) Cenni sui dispositivi elettronici a semiconduttori composti e ad eterogiunzione (MESFET, HEMT, PHEMT, HBT).
7) 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.


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. Si consiglia inoltre la scelta del corso di Fisica moderna.

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) D. L. Pulfrey, "Understanding modern transistors and diodes," Cambridge University Press, 2010. ISBN: 978-0-521-51460-6.

Testi d'approfondimento
1) J. Singh, "Semiconductor Devices - An Introduction," McGraw-Hill, 1994, ISBN: 0-07-057625-4.
2) W. A. Harrison, “Applied quantum mechanics,” World Scientific, 2000, ISBN: 9810243758.
3) P. Hofmann, "Solid State Physics - An Introduction," Wiley-VCH, 2008, ISBN: 978-3-527-40861-0.

 
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