69437 - NANOELETTRONICA M

Scheda insegnamento

  • Docente Giorgio Baccarani

  • Crediti formativi 6

  • SSD ING-INF/01

  • Modalità didattica Convenzionale - Lezioni in presenza

  • Lingua di insegnamento Italiano

  • Orario delle lezioni dal 20/09/2019 al 17/12/2019

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Istruzione di qualità Energia pulita e accessibile

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di fornire agli studenti che lo frequentano gli strumenti concettuali per affrontare lo studio dei dispositivi a dimensione nanometrica. La complessità delle equazioni quantiche del trasporto rende difficile lo sviluppo di modelli compatti e obbliga all’adozione di tecniche numeriche per la loro soluzione. Pertanto, il corso comprenderà nel proprio programma anche lo studio dei principali metodi numerici per la soluzione dell’equazione di Schrödinger a contorno sia chiuso che aperto, per il quale ha oggi assunto una grande popolarità il formalismo della funzione di Green di non equilibrio (NEGF). I dispositivi oggetto di studio comprenderanno, per la loro importanza preminente, i transitori ultrasottili di silicio su isolante (SOI), i fili quantici di silicio (NW-FET) e i dispositivi multi-gate (MG-FET), recentemente annunciati da Intel come componenti base del nodo tecnologico a 22 nanometri. Il corso esaminerà altresì dispositivi a eterostruttura basati su semiconduttori composti III-V, il cui interesse per le applicazioni digitali sta oggi aumentando a livello di ricerca per la realizzazione di componenti dotati di una transizione veloce fra lo stato di spegnimento e quello di accensione. Sono fra questi i transistori a effetto tunnel banda a banda e i super-reticoli (SL-FET) che, per la loro proprietà di filtraggio degli elettroni ad alta energia, rendono possibili pendenze inverse sotto soglia molto minori di (kBT/q) ln(10) = 60 mV/dec.

Programma/Contenuti

La evoluzione delle tecnologie microelettroniche ha reso possibile la fabbricazione di sistemi integrati contenenti alcuni miliardi di transistori elementari con dimensioni lineari di poche decine di nanometri che, in molti casi, sono minori o comparabili al cammino libero medio degli elettroni. Il processo di miniaturizzazione dei dispositivi elettronici ha pertanto raggiunto un livello così avanzato da rendere inadeguati i metodi classici di trattamento del trasporto di carica nei semiconduttori. Il modello di trasporto a deriva e diffusione (drift-diffusion) si basa infatti sull'assunto opposto, ovvero che le variazioni dei campi elettrici nel dispositivo avvengano su una scala spaziale molto maggiore del cammino libero medio, e che le loro variazioni nel tempo abbiano luogo su una scala temporale molto maggiore del tempo medio fra collisioni successive delle cariche mobili. Inoltre, il confinamento strutturale delle cariche produce nuovi effetti, come la quantizzazione dell'energia e, pertanto, la separazione delle bande di conduzione e di valenza in una molteplicità di sottobande a dimensionalità ridotta. Infine, l'effetto tunnel da banda a banda e da source a drain avrà un ruolo crescente, e non sempre negativo. Nasce da questa circostanza la necessità di una revisione profonda dei metodi classici di analisi dei dispositivi e l'esigenza di adottare nuove metodologie studio che possano interpretare fenomeni come il confinamento quantico delle cariche, l'effetto tunnel e il trasporto balistico o quasi balistico.

Il corso di Nanoelettronica M si propone di dare una risposta a questa esigenza, e di investigare il trasporto di carica in strutture a dimensione nanometrica, altrimenti note come sistemi mesoscopici. Con questa denominazione si deve intendere che tali strutture siano grandi rispetto alla dimensione atomica, e quindi tali da rendere possibile l'adozione dei concetti di struttura a bande, di onde di Bloch, di hamiltoniano equivalente e di massa efficace ma, allo stesso tempo, minori o comparabili al cammino libero medio degli elettroni. Scompare pertanto l'assunto di quasi-equilibrio locale e la descrizione del trasporto attraverso il concetto di mobilità e diffusività degli elettroni. La natura delle equazioni costitutive diviene fortemente non locale e aumenta l'importanza delle condizioni al contorno, con le quali si cerca, non sempre con successo, di isolare il dispositivo che è oggetto di studio dal contesto circostante.

Il corso di Nanoelettronica si propone di fornire agli studenti che lo frequentano gli strumenti concettuali per affrontare lo studio dei dispositivi elettronici a dimensione nanometrica. La complessità delle equazioni quantiche del trasporto rende difficile lo sviluppo di modelli compatti e obbliga all'adozione di tecniche numeriche per la loro soluzione. Pertanto, il corso comprenderà  nel proprio programma anche lo studio dei principali metodi numerici per la soluzione dell'equazione di Schrödinger a contorno sia chiuso che aperto, per il quale ha oggi assunto una grande popolarità il formalismo della funzione di Green di non equilibrio (NEGF). 

I dispositivi oggetto di studio comprenderanno, per la loro importanza preminente, i transistori ultrasottili di silicio su isolante (SOI), i fili quantici di silicio (NW-FET) e i dispositivi multi-gate (MG-FET), che rappresentano i componenti base dei nodi tecnologici a 22, 14 e 10 nanometri. Il corso esaminerà altresì dispositivi a eterostruttura basati su semiconduttori III-V, il cui interesse per le applicazioni digitali sta oggi aumentando a livello di ricerca per la realizzazione di componenti dotati di una transizione veloce fra lo stato di spegnimento e quello di accensione. Sono fra questi i transistori a effetto tunnel banda a banda (TFET) e i superreticoli (SL-FET) che, per la proprietà di filtraggio degli elettroni ad alta energia, rendono possibili pendenze inverse sotto soglia molto minori di (kBT/q) ln(10) = 60 mV/dec.



Testi/Bibliografia

S. Datta: "Electronic Transport in Mesoscopic Systems", Cambridge University Press
S. Datta: "Quantum Transport: Atom to Transistor", Cambridge University Press
D. H. Ferry, S. M. Goodnick: "Transport in Nanostructures", Cambridge University Press
M. Lundstrom: "Fundamentals of Carrier Transport", Cambridge University Press
M. Rudan: "Physics of Semiconductor Devices", Springer 

Metodi didattici

Sono svolte lezioni in aula di tipo tradizionale, con illustrazione dei concetti fisici e con esecuzione alla lavagna dei calcoli richiesti per le dimostrazioni formali dei più importanti risultati. Occasionalmente viene fatto uso di slide per una migliore presentazione di immagini non facilmente riproducibili alla lavagna. 

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento dello studente avrà luogo mediante esame orale.

Strumenti a supporto della didattica

Sono suggeriti libri di testo e sono distribuiti appunti a cura del docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Giorgio Baccarani