Guida degli insegnamenti
Syllabus
Partially translatedTradotto parzialmente
Davide MENCARELLI
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea Magistrale - [IM11] INGEGNERIA ELETTRONICA (Curriculum: Elettronica per Applicazioni Nautiche) Master Degree (2 years) - [IM11] ELECTRONICS ENGINEERING (Curriculum: Elettronica per Applicazioni Nautiche)
Dipartimento: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'InformazioneDepartment: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'Informazione
Anno di corsoDegree programme year : 1 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2020-2021
Anno regolamentoAnno regolamento: 2020-2021
Crediti: 9
Ore di lezioneTeaching hours: 72
TipologiaType: B - Caratterizzante
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-INF/01 - ELETTRONICA
ITALIANO
Italian
Elementi base di fisica e teoria dei circuiti.
Basic elements of physics and circuit theory.
72 ore di didattica frontale.
72 hours of frontal teaching.
L’insegnamento permette agli studenti di acquisire una conoscenza approfondita del funzionamento dei dispositivi a stato solido, per applicarla alla progettazione di circuiti elettronici mediante tecniche di progetto proprie dei circuiti integrati operanti a radio frequenze. Il corso fornisce una visuale sul possibile impatto delle nano-tecnologie e dei nuovi materiali sulla futura generazione di dispositivi elettronici, inclusi transistori a effetto campo (FET), porte logiche, memorie, rettificatori, strutture plasmoniche, interconnettori. Partendo dai concetti di base di fisica dei semiconduttori si arriverà alla definizione delle equazioni che ne descrivono il comportamento sia in equilibrio che fuori equilibrio. Queste conoscenze saranno poi utilizzate per affrontare le problematiche fondamentali delle tecnologie submicrometriche, in relazione allo scaling dei dispositivi. L’insegnamento chiarisce inoltre il comportamento in alta frequenza e i
modelli di rumore dei dispositivi.
Capacità di applicare conoscenze e comprensione.
Il corso fornisce la capacità di applicare la teoria dei semiconduttori per analizzare il funzionamento dei principali dispositivi elettronici. E’ inclusa un’introduzione agli strumenti di calcolo semi-classici e quantistici che consentono il passaggio concettuale e computazionale dalla scala nanometrica dei materiali a quella microscopica dei dispositivi reali. La capacità di modellare il comportamento elettrico dei dispositivi elettronici viene applicata alle tecniche di progetto di circuiti integrati a radio-frequenza, fornendo allo studente la capacità di affrontare problemi di progettazione con specifiche contrastanti.
Competenze trasversali.
L’insegnamento include contenuti multidisciplinari, in quanto, partendo da conoscenze di base di fisica e nanotecnologie, consente di analizzare il funzionamento dei principali dispositivi elettronici e derivare modelli analitici/circuitali da applicare alla progettazione di circuiti di base come amplificatori e oscillatori. Questo tipo di studio permette di sviluppare competenze trasversali finalizzate ad accrescere la capacità di giudizio nell’analisi delle caratteristiche delle tecnologie micro e nano elettroniche emergenti, in rapida evoluzione, e fornisce la capacità di lavorare in gruppo con esperti di aree disciplinari diverse. L’interdisciplinarietà contribuisce anche a migliorare la capacità di apprendimento, armonizzando i contenuti in una visione unitaria e fornendo allo stesso tempo elementi di base per i corsi successivi, più specialistici ed orientati all’applicazione.
Knowledge and Understanding.
The course provides a thorough knowledge and understanding on the operating principles of the main solid-state devices in order to apply it to design of electronic circuits, deepening in particular some design techniques typical of radio-frequency integrated circuits. The course also provides a view on the possible impact of nano-technologies and new materials on the future generation of electronic devices, including field effect transistors (FET), logic gates, memories, rectifiers, plasmonic structures, interconnectors. Starting from the basic principles of the semiconductor physics the course will introduce the equations of semiconductors both in equilibrium and out-of-equilibrium. This knowledge will be used to address the main issues of submicrometer/nanometer technologies, such as device scaling and integration. The course also shows the
main concepts on high frequency behavior and noise
models of electronic devices.
Capacity to apply Knowledge and Understanding.
The course allows to apply the knowledge of the semiconductor theory to analyze the electrical behaviour of the main electronic devices. An introduction to the semi-classical and quantum calculation tools that allow the conceptual and computational transition from the nanometric scale of materials to the microscopic scale of real devices is included. The skill to model the electrical behavior of the electronic devices is applied to the basic design techniques of radio-frequency integrated circuits, in order to allow students to address design problems with conflicting constraints.
Transversal Skills.
The course includes multidisciplinary contents, since, starting from the basic knowledge of physics and nanotechnology, enables the analysis of electronic devices and the extraction of both analytical and circuit model to be used in the design of electronic circuits. This aims to allow the students to develop transversal skills, in order to improve the ability of making judgements in the analysis of the emerging micro and nano-electronic technologies, rapidly evolving, and contemporary makes the students able to work with expert of different disciplinary area. Moreover interdisciplinarity contributes also to improve learning skills, by harmonizing the contents in a unitary vision, and providing, at the same time, the basic elements for subsequent courses, that are more specialized and application oriented.
Fondamenti di fisica dei semiconduttori ed elementi di meccanica quantistica, Proprietà elettroniche e strutturali di materiali su scala nanometrica: densità di stati, struttura a bande, curve di dispersione, bandgap, spettri di trasmissione e curve I-V. Caratterizzazione teorica di strutture periodiche: cenni sui modelli di analisi NEGF, DFT, TB, Scattering matrix.
Modelli di trasporto di carica ohmico-diffusivo e balistico, giunzioni p-n e metallo-semiconduttore, interconnettori ed effetti termici correlati, comportamento statico e dinamico di transistori bipolari e transistori MOS. Elementi sui transistori ad etero-giunzione. Correlazione fra parametri geometrici/fisici/tecnologici e le prestazioni dei dispositivi elettronici.
Materiali a bassa dimensionalità, cluster atomici, nanotubi/nanofili cristalli monoatomici, film sottili, come piattaforma scalabile per dispositivi elettronici/RF. Cenni su Transistor a singolo elettrone (SET): teoria e simulazione.
Transistor a effetto di campo su nanoscala: analisi autoconsistente, analogia circuitale, transconduttanza, capacità quantica e geometrica, mobilità, ballisticità resistenza di canale e resistenza di contatto, effetti parassiti, casi limite di funzionamento.
Transistor basati su materiali al carbonio (nanotubi, grafene, fullerene), curve di chiralità e dispersione, cono di Dirac, proprietà meccaniche e termiche, ambipolarità, doping elettrostatico, effetti di short-channel.
Elementi di progettazione di circuiti integrati a radiofrequenza: progetto di amplificatori con parametri di scattering, progettazione di Low-Noise Amplifier (LNA). Varactor, voltage-controlled oscillator e mixer.
Introduzione ai metodi di fabbricazione e caratterizzazione dei dispositivi elettronici su scala nanometrica: crescita/deposizione, litografia, attacchi chimici e al plasma.
Fundamentals of semiconductor physics and elements of quantum mechanics.
Electronic and structural properties of materials on a nanometric scale: density of states, band structure, dispersion curves, bandgaps, transmission spectra and I-V curves. Theoretical characterization of periodic structures: notes on NEGF, DFT, TB, Scattering matrix analysis models.
Ohmic-diffusive and ballistic charge transport models, p-n and metal-semiconductor junctions, interconnectors and related thermal effects, static and dynamic behavior of bipolar transistors and MOS transistors. Elements on hetero-junction transistors. Correlation between geometric / physical / technological parameters and the performance of electronic devices.
Low-dimensional materials, atomic clusters, monoatomic nanotubes / nanowires crystals, thin films, as a scalable platform for electronic and RF devices. Notes on Single Electron Transistors (SET): theory and simulation.
Field effect transistors on the nanoscale: self-consistent analysis, circuit analogy, transconductance, quantum and geometric capacity, mobility, ballisticity, channel resistance and contact resistance, parasitic effects, operating limit cases.
Transistors based on carbon materials (nanotubes, graphene, fullerene), chirality and dispersion curves, Dirac cone, mechanical and thermal properties, ambipolarity, electrostatic doping, short-channel effects.
Design elements of radio frequency integrated circuits: design of amplifiers with scattering parameters, design of Low-Noise Amplifier (LNA). Varactor, voltage-controlled oscillator and mixer.
Introduction to the manufacturing methods and characterization of electronic devices on a nanometric scale: growth / deposition, lithography, chemical and plasma attacks.
Il livello di apprendimento degli studenti viene valutato attraverso una prova orale sul programma del corso. In aggiunta e integrazione alla prova orale, il docente, durante le lezioni, potrà proporre alcune attività e piccoli progetti da svolgere in proprio o in piccoli gruppi, anche con l'ausilio del calcolatore.
Criteri di valutazione dell'apprendimento.
Per ottenere valutazione positiva, lo studente deve dimostrare di aver ben compreso i concetti esposti durante il corso. In particolare verrà verificata la capacità di descrivere i meccanismi fisici e i dispositivi introdotti nel corso, e la capacità di ricavare, argomentare, dimostrare e collegare relazioni e teorie legate ai dispositivi elettronici e alle loro applicazioni.
Criteri di misurazione dell'apprendimento.
Viene attribuito un voto in trentesimi, con eventuale lode.
Il voto minimo per il superamento dell’esame è 18/30.
Criteri di attribuzione del voto finale.
Perché l'esito complessivo della valutazione sia positivo, lo studente deve conseguire almeno 18
punti (su 30). La lode potrà essere attribuita agli studenti che raggiungano il voto massimo di 30/30 e dimostrino di essere in grado di applicare autonomamente conoscenze e competenze acquisite, anche a contesti diversi da quelli proposti a lezione. A tal fine si terrà conto della qualità dell'esposizione (utilizzo linguaggio appropriato), della capacità di correlare tra loro sia i diversi argomenti del corso, sia questi con altre discipline, della complessiva autonomia di giudizio dimostrata.
Learning Evaluation Methods.
Students' learning level is assessed through an oral test on the course program. In addition and integration to the oral test, the teacher, during the lessons, will be able to propose some activities and small projects to be carried out on his own or in small groups, also with the help of the calculator.
Learning Evaluation Criteria.
To obtain a positive evaluation, the student should demonstrate that he has understood the concepts exposed during the course. In particular, the ability to describe the physical mechanisms and devices introduced in the course, and the ability to derive, argue, demonstrate and connect relationships and theories related to electronic devices and their applications will be tested.
Learning Measurement Criteria.
A mark out of thirty is awarded, with possible honors.
The minimum mark for passing the exam is 18/30.
Final Mark Allocation Criteria.
In order for the overall evaluation to be positive, the student must achieve at least 18
points (out of 30). The honors can be attributed to students who reach a maximum score of 30/30 and demonstrate that they are able to independently apply the knowledge and skills acquired, even to contexts other than those proposed in class. To this end, account will be taken of the quality of the exhibition (use of appropriate language), of the ability to correlate both the different topics of the course and these with other disciplines, of the overall autonomy of thinking demonstrated.
• E. De Castro, Teoria dei dispositivi semiconduttori, Patron Editore Bologna, 1983
• S.M. Sze, K. K. Ng, “Physics of Semiconductor Devices 3rd edition”, John Wiley and Sons, Inc. 2007.
• B. G. Streetman, S.K. Banerjee, ''Solid State Electronic Devices'', 6th ed. Prentice Hall
• G. Ghione, “Dispositivi per la Microelettronica”, McGraw-Hill.
• R.S. Muller, T.I. Kamins, “Device electronics for Integrated Circuits”, John Wiley and Sons.
• J. H. Davies, “The Physics of Low-Dimensional Semiconductors”, Cambridge, 1998.
Materiale didattico elettronico disponibile su piattaforma Moodle di Ateneo
https://learn.univpm.it
• E. De Castro, Teoria dei dispositivi semiconduttori, Patron Editore Bologna, 1983
• S.M. Sze, K. K. Ng, “Physics of Semiconductor Devices 3rd edition”, John Wiley and Sons, Inc. 2007.
• B. G. Streetman, S.K. Banerjee, ''Solid State Electronic Devices'', 6th ed. Prentice Hall
• G. Ghione, “Dispositivi per la Microelettronica”, McGraw-Hill.
• R.S. Muller, T.I. Kamins, “Device electronics for Integrated Circuits”, John Wiley and Sons.
• J. H. Davies, “The Physics of Low-Dimensional Semiconductors”, Cambridge, 1998.
Electronic teaching material available on the University's Moodle platform
https://learn.univpm.it
No
No
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento. Academic year 2020-2021
Università Politecnica delle Marche
P.zza Roma 22, 60121 Ancona
Tel (+39) 071.220.1, Fax (+39) 071.220.2324
P.I. 00382520427