Università degli Studi di Palermo

Facoltà di Ingegneria

Corso di Studi in Ingegneria Elettrica -  Polo di Caltanissetta

 

Programma del corso di Dispositivi Elettronici (A.A. 2010-2011)                           

 

Crediti formativi: CFU 9

 

Docenti: Prof. Stefano Riva Sanseverino

                Ing. Roberto Macaluso

 

Esercitazioni: Ing. Roberto Macaluso

 

Il corso si propone di approfondire la conoscenza dei dispositivi a semiconduttore, sia con riguardo alla fisica del funzionamento, sia con riguardo alle loro caratteristiche per le applicazioni circuitali maggiormente impiegate in Elettronica.

 

L’esame prevede una prova scritta e, nel caso di valutazione positiva, una prova orale.

Durante il periodo di svolgimento del corso sono previste quattro prove in itinere. Il superamento delle prove in itinere dà accesso alla prova orale.

 

Programma dettagliato del Corso

L'elettrone libero.  Moto di un elettrone in presenza di un campo elettrico o di un campo magnetico. Tubo a raggi catodici. Deflessione elettrostatica e magnetica. Sensibilità di deflessione. Oscilloscopio e cinescopio.

L'elettrone nei solidi. Introduzione alla fisica dell'atomo. Modelli atomici (Rutherford e Bohr). Stati energetici permessi e bande di energia. Metalli, semiconduttori ed isolanti. Struttura tipica delle bande di energia.

Proprietà dei semiconduttori. Principali semiconduttori del IV gruppo e di composti III-V. I semiconduttori intrinseci. Concentrazione di elettroni e lacune liberi. Funzione di distribuzione di Fermi-Dirac. Livello di Fermi. Semiconduttori drogati e concentrazioni delle cariche mobili e fisse. Condizioni di equilibrio e legge di azione di massa. Variazioni delle concentrazioni dei portatori liberi al variare della temperatura. Mobilità dei portatori. Corrente di drift. Conducibilità dei semiconduttori. Corrente di diffusione e costante di diffusione.

Semiconduttori in condizioni di non equilibrio. Iniezione a basso e alto livello. Meccanismi di iniezione (fotogenerazione). Generazione e ricombinazione. Vita media della cariche minoritarie. Equazione di continuità. Lunghezza di diffusione dei portatori. Centri trappola e determinazione del tempo di vita media dei portatori minoritari. Caratterizzazione dei materiali semiconduttori: effetto Hall e metodo delle 4 punte.

Diodi a semiconduttore. Giunzioni p-n. Fabbricazione di giunzioni con tecnologia planare. Giunzione p-n a gradino ed a gradiente lineare nel modello unidimensionale in condizioni di equilibrio. Larghezza della zona di svuotamento e altezza della barriera di potenziale. Giunzioni in polarizzazione inversa: corrente inversa e capacità di barriera. Giunzioni in polarizzazione diretta: corrente di diffusione e capacità di diffusione. Generazione e ricombinazione nella zona svuotata. Caratteristica corrente-tensione. Influenza della temperatura sulla caratteristica    I = f(V). Resistenza termica e bilancio termico in giunzioni p-n alimentate. Cenni sulla moltiplicazione a valanga. Diodi Zener e diodi ad effetto tunnel.

Funzionamento del diodo con piccoli segnali. Polarizzazione statica. Parametri differenziali. Modello dinamico e schemi equivalenti.

Funzionamento del diodo con grandi segnali. Commutazione: Fenomeno dello "storage". Applicazioni con la caratteristica linearizzata. Circuiti raddrizzatori ed alimentatori per circuiti impieganti semiconduttori. Circuito stabilizzatore a diodo Zener. Circuiti logici a diodi: AND e OR.

Giunzioni metallo-semiconduttore. Caratteristica della giunzione rettificante. Diodo Schottky: barriera di potenziale e capacità di barriera. Caratteristica I-V. Giunzione ohmica (contatti). Lunghezza di Debye. 

Dispositivi a giunzione per applicazioni optoelettroniche. Diodi fotorivelatori: fotoconduttori, fotodiodi e APD. Celle solari. Diodi emettitori di luce: LED e LASER.

Tecnologia dei semiconduttori. Crescita del monocristallo di silicio.  Purezza, difetti reticolari e loro effetti. Epitassia. Tecnologia planare. Fotolitografia. Ossidazione. Diffusione delle impurità. Materiali droganti. Tecniche di drogaggio.

Dispositivi attivi ad effetto di campo. Struttura a giunzione e funzionamento del JFET. Caratteristiche ID-VDS al variare di VG. Limiti. Polarizzazione del JFET e modello dinamico per piccoli segnali. Cenni sui dispositivi MESFET. Sistema metallo-ossido-semiconduttore (MOS) in equilibrio ed in presenza di polarizzazione. Condizioni di svuotamento e di arricchimento. Fenomeno dell'inversione.  Caratteristica  ID = f (VG, VD) del MOSFET. Reti di polarizzazione del MOSFET. La tecnologia CMOS. L’invertitore CMOS: caratteristica di trasferimento, soglia logica, ritardo di propagazione, dissipazione di potenza statica e dinamica.

Dispositivi attivi a giunzione. Il transistore bipolare a giunzione. Efficienza di emettitore e fattore di trasporto. Caratteristiche di ingresso e di uscita nella configurazione a base comune e ad emettitore comune. Interdizione, zona attiva e zona di saturazione. Efficienza di emettitore e fattore di trasporto. Effetto Early. Modulazione di conduttività. Resistenza di base. Tempo di transito nella regione di base. Capacità di diffusione. Fenomeni di rottura e tensioni di rottura. Rottura secondaria. Principio di sovrapposizione degli effetti e funzionamento in saturazione. Effetti termici. Limiti dovuti alla potenza dissipata.

Applicazioni circuitali dei transistori. Polarizzazione statica. Reti di polarizzazione per circuiti a componenti discreti. Determinazione grafica e analitica del punto di riposo. Reti di polarizzazione per i circuiti integrati: specchi di corrente. BJT accoppiati in continua: coppia differenziale. Modelli del BJT per grandi segnali e per piccoli segnali. Modello del BJT di seconda approssimazione. Il BJT come amplificatore. Retta di carico statica e dinamica. Parametri differenziali. Schemi equivalenti dinamici a bassa frequenza per le tre configurazioni tipiche. Guadagno di tensione e di corrente nelle diverse configurazioni circuitali. Impedenza di ingresso e di uscita.  Modello del BJT alle alte frequenze: modello di Giacoletto. Configurazione Darlington e configurazione "cascode".

Commutatori di potenza. La struttura PNPN e i diodi controllati (SCR). Applicazioni tipiche.

 

Testi consigliati:

 

Informazione agli studenti:

Dall'anno accademico 2011-2012, essendo stato disattivato il percorso Elettronica Industriale del corso di laurea in Ingegneria Elettrica (CL), il corso di Dispositivi Elettronici non sarà più obbligatorio, ma potrà essere scelto tra un gruppo consigliato di materie che consentiranno l'uscita senza debito verso la laurea magistrale in Ingegneria Elettronica  - Palermo.

Esami:

Si ricorda di iscriversi online e di stampare lo statino.

 

 

Link utili: