65777 - TECNOLOGIE ELETTRONICHE PER L'INFORMAZIONE E L'ENERGIA LM

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente comprende il principio di funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore per la realizzazione di circuiti integrati digitali ed analogici, per la conversione energetica, per applicazioni di potenza e di monitoraggio ambientale. E' in grado di analizzare le implicazioni delle opzioni tecnologiche sulle prestazioni dei dispositivi. Conosce le tecniche di fabbricazione dei circuiti integrati ad elevatissima scala di integrazione e le problematiche connesse con l'esigenza di un continuo sviluppo tecnologico.

Contenuti

Meccanica quantistica e modelli semiclassici di trasporto: dualismo onda-particella.

Equazione di Schroedinger; quantizzazione energetica; relazione di dispersione in un cristallo; semiconduttori a bandgap diretto ed indiretto.

Approssimazione di massa efficace. Tunneling quanto-meccanico.

Elettroni e lacune nei semiconduttori. Semiconduttori all'equilibrio. Trasporto di carica nei semiconduttori. Modello di trasporto drift-diffusion.

Giunzione P-N - Diodi. Giunzione PN all'equilibrio. Giunzione PN fuori equilibrio. Calcolo della corrente ai morsetti. Principali effetti di non idealità. Effetti reattivi del diodo.

Condensatore MOS. Analisi qualitativa e quantitativa. Calcolo della soglia e delle capacità.

Transistore MOS. Modello di canale graduale. Funzionamento sottosoglia. Principali effetti di non idealità. MOS avanzati. Scaling. Effetti di canale corto.

Celle fotovoltaiche.

Transistori MOS di potenza.

Dispositivi di potenza IGBT.

Dispositivi di potenza in Nitruro di Gallio e Carburo di Silicio.

Tecnologia di fabbricazione dei circuiti integrati.

Evoluzione della tecnologia microelettronica: caratteristiche di base della tecnologia microelettronica.

Progettazione microelettronica, con particolare riferimento al flusso di progetto per circuiti integrati mediante l’uso di programmi CAD Electronic Design Automation (EDA)

• Il processo CMOS: tecnologia, flusso di progettazione e relativi strumenti software. Richiami sul ritardo di propagazione e sul consumo di potenza di celle digitali in logica CMOS statica. Regole di composizione delle logiche statiche CMOS per la realizzazione di funzioni logiche complesse. Registri statici CMOS, ritardo di propagazione e tempi di setup/hold. Effetti parassiti associati al transistore MOS e alle interconnessioni. Richiami al simulatore circuitale SPICE.
• Modelli del transistor MOS. Layout del transistore MOS. Cenni a variabilità dei parametri, corner di simulazione e matching dei dispositivi. Layout di macrocelle digitali mediante metodologia a celle standard. Regole di layout e controlli DRC. Controlli LVS. Estrazione dei parassiti e simulazione post-layout di macrocelle. Cenni a pad frame e protezioni ESD. Progettazione, layout e simulazione di macrocelle mediante software CAD EDA.
• Tecnologie MEMS: processi di fabbricazione, esempi di strutture e sensori.

 

Testi/Bibliografia

Le dispense presentate a lezione vengono messe a disposizione dello studente in formato elettronico nei repository istituzionali. I seguenti volumi possono tuttavia essere utili allo studenti ai fini di consultazione

Dispositivi per la microelettronica
G. Ghione, Mc GrawHill Italia, 1998.

Fundamentals of MODERN VLSI DEVICES
Yuan Taur, Tak H. Ning
Cambridge University Press
ISBN 0 521 55959 6

J. D. Plummer, M. D. Deal, P. B. Griffin, "Silicon VLSI Technology - Fundamentals, Practice and Modeling", Prentice Hall, 2000

Richard S. Muller, Theodore I. Kamins, “Device Electronics for Integrated Circuits

J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Digital Integrated Circuits: A Design Perspective, 2nd Edition 2003, Prenctice Hall. (http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/index.html)

R. Baker, CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, Third Edition, Wiley-IEEE Press, 2010. (http://cmosedu.com).

Metodi didattici

Lezioni in aula alla lavagna con il supporto di slide.

esercitazioni in laboratorio: caratterizzazione sperimentale esimulazione numerica di condensatori e transistori MOS, celle fotovoltaiche.

lezioni pratiche da svolgersi presso il Laboratorio di Elettronica e Telecomunicazioni al fine di apprendere l'uso di strumenti CAD EDA per la progettazione di circuiti integrati. Oltre alla normale attività didattica, potranno essere previsti durante il corso alcuni seminari tenuti da esperti del settore, di estrazione universitaria e aziendale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento è effettuata mediante una prova orale, e consiste in una serie di domande volte ad accertare la conoscenza degli aspetti tecnologici e concettuali presentati a lezione.

Il raggiungimento da parte dello studente di una visione organica dei temi affrontati a lezione congiunta alla loro utilizzazione critica, la dimostrazione del possesso di una padronanza espressiva e di linguaggio specifico saranno valutati con voti di eccellenza. La conoscenza per lo più meccanica e/o mnemonica della materia, capacità di sintesi e di analisi non articolate e/o un linguaggio corretto ma non sempre appropriato porteranno a valutazioni discrete; lacune formative e/o linguaggio inappropriato – seppur in un contesto di conoscenze minimali del materiale d'esame - condurranno a voti che non supereranno la sufficienza. Lacune formative, linguaggio inappropriato, mancanza di orientamento all'interno dei materiali bibliografici offerti durante il corso non potranno che essere valutati negativamente.

Inoltre, gli studenti dovranno sviluppare un progetto di un circuito digitale in una tecnologia CMOS di riferimento basandosi su celle standard, redigendo una relazione in cui dovranno essere evidenziate le principali scelte progettuali e valutate le prestazioni ottenute mediante simulazioni circuitali. La valutazione consisterà nella presentazione della relazione da parte dello studente. Costituiranno elementi di valutazione la conoscenza e l'applicazione dei concetti e delle tecniche di progetto presentate durante il corso, la padronanza dei concetti presentati, l'uso corretto del linguaggio tecnico della disciplina.

Strumenti a supporto della didattica

Oltre all’utilizzo della dotazione delle aule didattiche, il modulo prevede l'uso del laboratoriodi elettronica e di workstation CAD equipaggiate con software CAD EDA per la progettazione di circuiti integrati.

Programmi di simulazione numerica a base fisica di dispositivi elettronici.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudio Fiegna

Consulta il sito web di Aldo Romani

Consulta il sito web di Andrea Natale Tallarico