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Conoscenze di base di fisica e teoria dei circuiti.

Convenzionale

L'insegnamento permette di acquisire una conoscenza approfondita sul funzionamento dei principali dispositivi a stato solido per applicarla alla progettazione di circuiti elettronici, approfondendo in particolare alcune tecniche di progetto proprie dei circuiti integrati CMOS a radiofrequenze. Partendo dai concetti di base di fisica dei semiconduttori si arriverà a definire le equazioni che ne descrivono il comportamento sia in equilibrio che in fuori equilibrio. Queste conoscenze saranno poi utilizzate per comprendere e modellare il comportamento dei principali dispositivi nelle varie regioni di funzionamento, fino ad arrivare alle conoscenze fondamentali sulle tecnologie submicrometriche e nanometriche e le problematiche di scalatura dei dispositivi. L'insegnamento fornisce inoltre le conoscenze riguardo il comportamento in alta frequenza e i modelli di rumore dei dispositivi che verranno applicate illustrando le principali tecniche di progetto di circuiti integrati a radiofrequenza.

Il corso fornisce la capacità di applicare la teoria dei semiconduttori per analizzare e modellare il funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore fino a scale nanometriche. La capacità di modellare il comportamento elettrico dei dispositivi elettronici viene applicata all'interno delle tecniche di progetto di circuiti integrati a radio-frequenza, fornendo allo studente la capacità di affrontare problemi di progettazione con specifiche contrastanti.

L'insegnamento include contenuti multidisciplinari, in quanto, partendo da conoscenze di base di fisica classica e moderna consente di introdurre la fisica dei semiconduttori e analizzare il funzionamento dei principali dispositivi a stato solido per poi derivarne modelli, sia analitici che circuitali, da applicare alla progettazione di circuiti di base come amplificatori e oscillatori. Questo tipo di studio permette di sviluppare competenze trasversali al fine di accrescere la capacità di giudizio nell'analisi delle caratteristiche delle tecnologie micro e nano elettroniche emergenti, che sono in continua 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.

Richiami di Meccanica Quantistica. Modello di Kronig-Penney. Massa efficace di elettroni e lacune nei semiconduttori. Meccanica statistica, concentrazione dei portatori liberi all'equilibrio termico, fenomeni di fuori equilibrio nei semiconduttori: trasporto di carica, generazione e ricombinazione. Modello deriva-diffusione. Giunzione PN e MOSFET: funzionamento fisico, modelli in DC e in alta frequenza. Sorgenti di rumore. Il rumore nei due-porte lineari. Il rumore nel MOSFET. Tecnologie submicrometriche e nanometriche: effetti submicrometrici nel MOSFET e device scaling. 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.

L'esame consiste in una prova orale, articolata in tre quesiti riguardanti le tematiche trattate nel corso, che sono: la fisica dei semiconduttori, il funzionamento fisico e i modelli dei dispositivi a semiconduttore, le tecniche di base per il progetto di circuiti integrati a radiofrequenza in tecnologie CMOS submicrometriche. Se necessario, i quesiti la cui risposta richiede l'esecuzione di brevi calcoli, saranno svolti in forma scritta contestualmente alla prova orale.

Lo studente dovrà dimostrare, discutendo i quesiti posti dal docente, di possedere le conoscenze e gli strumenti analitici necessari a descrivere il funzionamento dei dispositivi a semiconduttore, di saperli applicare per derivare i modelli dei dispositivi nelle varie condizioni di funzionamento e per analizzare le problematiche di scaling nelle moderne tecnologie submicrometriche e nanometriche. Dovrà inoltre dimostrare di conoscere e saper utilizzare i modelli dei dispositivi e di possedere le competenze per la progettazione dei fondamentali circuiti a radiofrequenza. Per superare con esito positivo la prova orale lo studente dovrà dimostrare di avere ben compreso i contenuti dell'insegnamento, esposti in maniera sufficientemente corretta con l'utilizzo di adeguata terminologia tecnico-scientifica. La valutazione massima verrà conseguita dimostrando una conoscenza approfondita dei contenuti dell'insegnamento, esposta con completa padronanza del linguaggio tecnico-scientifico.

Ad ognuno dei quesiti, posti durante la prova orale, è assegnato un punteggio tra zero e trenta. Il voto complessivo, in trentesimi, è dato dalla media dei voti ottenuti nei quesiti.

Perché l'esito finale della valutazione sia positivo, lo studente dovrà conseguire la sufficienza, pari a diciotto punti, in ognuno dei quesiti, che corrisponde a possedere un bagaglio completo degli argomenti del corso. La valutazione massima sarà raggiunta dimostrando una conoscenza approfondita dei contenuti del corso. La lode verrà attribuita agli studenti, che avendo conseguito la valutazione massima, abbiano dimostrato una completa padronanza della materia e una particolare brillantezza espositiva.

S.M. Sze, K. K. Ng, "Physics of Semiconductor Devices 3rd edition", John Wiley and Sons, Inc. 2007. G.Ghione, "Dispositivi per la Microelettronica", McGraw-Hill. R.S. Muller, T.I. Kamins,"Device electronics for Integrated Circuits", John Wiley and Sons, Inc. 2003. T.H. Lee, "The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits", Cambridge University Press, 2004. G.D. Vendelin, A.M. Pavio, U.L. Rhode, "Microwave Circuit Design using Linear and Nonlinear Techniques", John Wiley and Sons, Inc. 2005, 1990.