Il corso si propone di illustrare il funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore basati su omo e eterogiunzione; il loro collegamento verso il mondo esterno, la formazione di contatti ohmici oppure raddrizzanti utilizzati in micro e nanoelettronica. Verranno studiate le caratteristiche a bassa frequenza e i modelli matematici dei più importanti dispositivi a canale. Fanno parte del corso i dispositivi sensibili alla luce così come i diodi emettitori di luce e il laser a stato solido.
scheda docente materiale didattico
- L’equazione di continuità di elettroni e lacune. Condizioni al contorno. Equazione di Poisson. La relazione di Einstein. Quasi-livelli di Fermi. Modello matematico di un semiconduttore.
- Teorema di Ramo. Fotoconducibilità. Fotoresistenze. Guadagno fotoconduttivo.
2. Dispositivi Bipolari. La giunzione pn. Caratteristiche statiche. Polarizzazione diretta e inversa. Profilo dei portatori in eccesso. Correnti di drift e diffusione. Il diodo ideale di Shockley. Elettrostatica della giunzione p+-n. Potenziale e campo elettrico. Caratteristiche dinamiche. Capacità di transizione. Un modello matematico per il diodo. Fattore di qualità. Coefficiente di temperatura. La giunzione pn alla luce. Il fotodiodo pin. APD-Avalanche Photodiode. Risposta spettrale. Elettroluminescenza. Drogaggio. Transizioni radiative e non-radiative. Tempo di vita dei minoritari. Efficienza di luminescenza. Efficienza di estrazione. Architetture dei dispositivi. LED per IR, Vis e UV.
3. Dispositivi Unipolari. La barriera metallo-semiconduttore. Il diodo Schottky. Funzione lavoro e affinità elettronica. Caratteristica I-V ideale. Contatto Ohmico. Carica di superficie e lunghezza di Debye . Elettrostatica della giunzione M-S. Trasporto nella SCR. Corrente termoionica. Corrente di drift-diffusione. Abbassamento della barriera. Carica nella SCR: valutazione di Nd e Fbi. JFET e MESFET. Resistenza del canale. Caratteristica di ingresso: iDS à VGS. La corrente di drain, iDS. Transcaratteristica: iDS à VDS. Transconduttanza, gm. Conduttanza di canale, gd. Il JFET come amplificatore di segnale. Comportamento dinamico. Modello di piccolo segnale. Comportamento in frequenza e fT. Strutture Metallo-Ossido-Semiconduttore. Il diodo MIS. Capacità del sistema MOS. Analisi all’equilibrio termico. Stati di interfaccia. Carica nell’ossido. Elettronica del MOS. MOSFET: modello a controllo di carica. NMOS, PMOS e CMOS. Dispositivi a svuotamento e arricchimento. Correnti sottosoglia. Effetti geometrici. Leggi di scala.
Programma
1. Fisica dei Semiconduttori. Materiali per l’elettronica. Struttura a bande e proprietà generali. Semiconduttori IV, III-V e II-VI. Leghe. Semiconduttori amorfi e policristallini. Portatori intrinseci. Conducibilità. Drogaggio. Mobilità e fattori che la influenzano. Fenomeni di non-equilibrio. Trascinamento/deriva dei portatori di carica. L’equazione di Fick: diffusione. Ricombinazione e generazione. Banda-banda termica. Teoria SHR a un livello trappola.- L’equazione di continuità di elettroni e lacune. Condizioni al contorno. Equazione di Poisson. La relazione di Einstein. Quasi-livelli di Fermi. Modello matematico di un semiconduttore.
- Teorema di Ramo. Fotoconducibilità. Fotoresistenze. Guadagno fotoconduttivo.
2. Dispositivi Bipolari. La giunzione pn. Caratteristiche statiche. Polarizzazione diretta e inversa. Profilo dei portatori in eccesso. Correnti di drift e diffusione. Il diodo ideale di Shockley. Elettrostatica della giunzione p+-n. Potenziale e campo elettrico. Caratteristiche dinamiche. Capacità di transizione. Un modello matematico per il diodo. Fattore di qualità. Coefficiente di temperatura. La giunzione pn alla luce. Il fotodiodo pin. APD-Avalanche Photodiode. Risposta spettrale. Elettroluminescenza. Drogaggio. Transizioni radiative e non-radiative. Tempo di vita dei minoritari. Efficienza di luminescenza. Efficienza di estrazione. Architetture dei dispositivi. LED per IR, Vis e UV.
3. Dispositivi Unipolari. La barriera metallo-semiconduttore. Il diodo Schottky. Funzione lavoro e affinità elettronica. Caratteristica I-V ideale. Contatto Ohmico. Carica di superficie e lunghezza di Debye . Elettrostatica della giunzione M-S. Trasporto nella SCR. Corrente termoionica. Corrente di drift-diffusione. Abbassamento della barriera. Carica nella SCR: valutazione di Nd e Fbi. JFET e MESFET. Resistenza del canale. Caratteristica di ingresso: iDS à VGS. La corrente di drain, iDS. Transcaratteristica: iDS à VDS. Transconduttanza, gm. Conduttanza di canale, gd. Il JFET come amplificatore di segnale. Comportamento dinamico. Modello di piccolo segnale. Comportamento in frequenza e fT. Strutture Metallo-Ossido-Semiconduttore. Il diodo MIS. Capacità del sistema MOS. Analisi all’equilibrio termico. Stati di interfaccia. Carica nell’ossido. Elettronica del MOS. MOSFET: modello a controllo di carica. NMOS, PMOS e CMOS. Dispositivi a svuotamento e arricchimento. Correnti sottosoglia. Effetti geometrici. Leggi di scala.
Testi Adottati
R.S Muller, T.I. Kamins - Device Electronics for Integrated Circuits, 3rd Ed., John Wiley, 2009Modalità Valutazione
L'esame mira a valutare la preparazione del candidato sul programma svolto