Guida degli insegnamenti

Syllabus

Partially translatedTradotto parzialmente
[W001233] - DISPOSITIVI PER LA MICRO E NANO ELETTRONICADEVICES FOR MICRO AND NANO ELECTRONICS
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 - Primo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2019-2020
Anno regolamentoAnno regolamento: 2019-2020
Crediti: 9
Ore di lezioneTeaching hours: 72
TipologiaType: B - Caratterizzante
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-INF/01 - ELETTRONICA

LINGUA INSEGNAMENTO LANGUAGE

ITALIANO

Italian


PREREQUISITI PREREQUISITES

Elementi base di fisica e teoria dei circuiti

Basic elements of physics and circuit theory


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DEL CORSO DEVELOPMENT OF THE COURSE

72 ore di didattica frontale

72 hours of frontal teaching


RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI LEARNING OUTCOMES
Conoscenze e comprensione.

L’insegnamento permette agli studenti 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 operanti a radio frequenze (RF). Il corso
fornisce altresì 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. Queste conoscenze
saranno utilizzate per affrontare le problematiche
fondamentali delle tecnologie submicrometriche/
nanometriche, in relazione alla
scalatura dei dispositivi. L’insegnamento fornisce inoltre le conoscenze
sul comportamento dei dispositivi in alta frequenza, inclusi i
modelli di rumore, che verranno
applicate illustrando le principali tecniche di progetto dei circuiti RF


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 (RF)
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. 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, providing a view to the
main design techniques of RF integrated
circuits


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



PROGRAMMA PROGRAM

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 PN 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 at the nanometer scale: density of states, band structure, dispersion curves, bandgap, transmission spectra and I-V curves. Theoretical characterization of periodic structures: outline of NEGF, DFT, TB, Scattering matrix models.
Models for ohmic-diffusive and ballistic charge transport, 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, nanotubes / nanowires, monoatomic crystals, thin films, as a scalable platform for electronic / RF devices. Notes on Single electron transistors (SET): theory and simulation.
Nanoscale field-effect transistors: self-consistent analysis, circuit analogy, transconductance, quantum and geometric capacitance, mobility, channel resistance, 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.
Elements of design of radiofrequency integrated circuits: design of amplifiers with scattering parameters, design of Low-Noise Amplifier (LNA). Varactor, voltage-controlled oscillator and mixer.
Introduction to the methods of fabrication and characterization of electronic devices at nanoscale: growth / deposition, lithography, chemical and plasma etching.


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME DEVELOPMENT OF THE EXAMINATION
Modalità di valutazione dell'apprendimento.

Il livello di apprendimento degli studenti viene valutato attraverso una prova orale, con domande aperte sugli argomenti del corso.


Criteri di valutazione dell'apprendimento.

Per superare con esito positivo la valutazione, lo studente deve dimostrare di aver ben compreso i concetti introdotti nel corso; in particolare verrà verificata la capacità di risolvere problemi con le metodologie introdotte nel corso e la capacità di ricavare, argomentare, dimostrare e collegare relazioni e teorie e le loro applicazioni. L’attribuzione del voto finale tiene conto delle conoscenze acquisite su tutti gli argomenti dell’insegnamento. La valutazione massima è attribuita agli studenti che dimostrano ottima capacità di analisi e conoscenza approfondita dei contenuti dell’insegnamento, rigore metodologico ed appropriatezza di vocabolario tecnico.


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) nella prova orale.


Learning Evaluation Methods.

Students learning will be assessed through an oral exam, with open questions on the topics of the course.


Learning Evaluation Criteria.

In order to have a positive evaluation, the student must demonstrate that he has understood the concepts introduced in the course; in particular, the teacher will verify the student's ability to solve problems with the methodologies introduced in the course and the ability to derive, argue, demonstrate and link relationships and theories and their applications. The final vote takes into account the knowledge gained on all subjects of the teaching. The maximum rating is given to students who demonstrates excellent analytical skills and an in-depth knowledge of the content of the program course, methodological rigor and appropriateness of technical vocabulary in the oral test.


Learning Measurement Criteria.

The final vote will be a number, with a maximum of 30, and eventually the "lode".
The minimum mark for passing the exam is 18/30.


Final Mark Allocation Criteria.

In order to have a positive evaluation, the student achieve at least 18 points (up to 30) in the oral test.



TESTI CONSIGLIATI RECOMMENDED READING

• Slide del corso reperibili nella piattaforma Moodle utili per seguire le lezioni, ma non per studiare:
https://learn.univpm.it
• 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.
• T. H. Lee, "The design of CMOS radio-frequency integrated circuits", Cambridge University Press, 1998.

• Slides of the course available at Moodle platform useful to follow the lectures, but not to study:
https://learn.univpm.it
• 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.
• T. H. Lee, "The design of CMOS radio-frequency integrated circuits", Cambridge University Press, 1998.


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Scheda insegnamento erogato nell’A.A. 2019-2020
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento.
Academic year 2019-2020

 


Università Politecnica delle Marche
P.zza Roma 22, 60121 Ancona
Tel (+39) 071.220.1, Fax (+39) 071.220.2324
P.I. 00382520427