Fisica dei semicondutori; la giunzione pn; fotodiodi e LED; il transistor bipolare; il
transistor a effetto campo; amplificatori per piccoli segnali; famiglie logiche e memorie; esercitazioni di laboratorio
M. Pieraccini, D.Mecatti "Fondamenti di Elettronica" quarta edizione, 2013, Esculapio Editore
Obiettivi Formativi
Il corso si propone di fornire le nozioni fondamentali dell'elettronica dei dispositivi a
semiconduttore.
Prerequisiti
Fisica di base (cariche, correnti, elettrostatica ed elettrodinamica)
Teoria dei circuiti (analisi di circuiti lineari)
Metodi Didattici
1) lezioni svolte integralmente alla lavagna (senza lucidi).
2) svolgimento in classe di esercizi
3) simulazione circuitale mediante software freeware
4) realizzazione in laboratorio di prototipi
Altre Informazioni
Il corso è comune a Ingegneria Informatica (9 crediti) e Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni (6 crediti).
Modalità di verifica apprendimento
Regolamento esami di Elettronica Generale (6crediti) e Elettronica (9 crediti)
1) Durante il corso verranno svolti due "compitini", che consisteranno di esercizi e domande a risposta multipla. E' consentito consultare un formulario personale di una singola pagina formato A4 con caratteri maggiori di 8p. Le date dei compitini sono le stesse per entrambi i corsi. Nel secondo compitino un certo numero di domande a risposta multipla ed eventualmente un esercizio sono riservate ai soli studenti di Elettronica a 9 crediti
2) Gli studenti che avranno deciso di non sostenere i compitini, oppure avranno ottenuto anche a uno solo dei due compitini una votazione inferiore a 15, al termine del corso dovranno sostenere una prova scritta, che consisterà di esercizi e domande a risposta multipla. E' consentito consultare un formulario personale di una singola pagina formato A4 con caratteri maggiori di 8p. Per partecipare alla prova scritta è necessario prenotarsi. L'eventuale insufficienza a una prova scritta non pregiudica la partecipazione alla prova scritta successiva. La prova scritta può essere ripetuta per migliorare il voto. Allo scopo di migliorare il voto, la prova scritta può essere sostenuta anche da chi ha svolto positivamente entrambi i compitini. Nel caso di più voti, vale il voto più alto (anche se non è il più recente). La prova scritta nel calcolo della media, è pesata come due compitini.
3) Solo per gli studenti del corso a 9 crediti, durante il corso verrà svolta un'esercitazione di laboratorio a gruppi di 3-4 studenti. I gruppi dovranno inviare per e-mail al professore, entro una data fissata, una relazione scritta sul lavoro svolto seguendo le linee guida che verranno date a lezione. Lo svolgimento dell'esercitazione a gruppi e la stesura della relazione è obbligatoria. Solo in casi particolari e motivati potrà essere sostituita con altre attività integrative concordate con il docente.
4) Per gli studenti del corso a 6 crediti, il voto finale è la media aritmetica tra 3 voti: primo compitino, secondo compitino, prova orale.
5) Per gli studenti del corso a 9 crediti, il voto finale è la media aritmetica tra 4 voti: primo compitino, secondo compitino, esercitazione laboratorio, prova orale.
6) La prova orale consiste di una singola domanda di teoria. Su richiesta dello studente si può fare una seconda domanda. Si può sostenere l'orale in qualunque giorno concordato con il docente (non necessariamente in concomitanza con un appello). Per accedere all'orale è necessario aver conseguito un voto maggiore di 15 alla prova scritta. Non è consentito chiedere di ripetere la prova orale per migliorare il voto, se il voto finale è maggiore di 18.
Programma del corso
1) FISICA DEI SEMICONDUTTORI
Legge di Ohm. Isolanti e conduttori. Semiconduttori. Elettroni nei semiconduttori.
Lacune. Effetto tunnel. Dualità onda-corpuscolo. Silicio intrinseco. Silicio drogato
con impurità di tipo n. Silicio drogato con impurità di tipo p. Legge di azione di
massa. Correnti di diffusione. Energia di Fermi.
2) LA GIUNZIONE PN
Realizzazione di una giunzione pn. Il diodo. Zona di svuotamento. Il potenziale di
giunzione. Modello a bande. Giunzione metallo-semiconduttore. Principio di
funzionamento di un diodo. Concentrazione dei portatori al limite della zona di
svuotamento. Iniezione di cariche e ricombinazione. Derivazione della caratteristica
del diodo. Il diodo completo. Il diodo reale. Il diodo Zener. Esercizi svolti.
3) FOTODIODI e LED
Interazione luce-semiconduttore. Il fotodiodo. Teorema di Ramo. Semiconduttori
diretti e indiretti. LED. Esercizi svolti.
4) IL TRANSISTOR BIPOLARE
Il transistor. "Transistor man". Realizzazione fisica del transistor. Regioni di
funzionamento. Regione attiva diretta. Regione attiva inversa. Interdizione.
Saturazione. Il BJT come interruttore. Il BJT come amplificatore di tensione.
Polarizzazione del BJT. Effetto Early. Generatori di corrente a BJT. Esercizi svolti.
5) IL TRANSISTOR A EFFETTO CAMPO
Tipologia dei transistor a effetto campo. Il capacitore MOS. Soglia e inversione della popolazione. MOSFET a canale n ad
arricchimento. MOSFET a canale n ad arricchimento per grandi tensioni.
Modulazione del canale. MOSFET a canale n ad arricchimento come interruttore.
MOSFET a canale n ad arricchimento come amplificatore di tensione. MOSFET a
canale p ad arricchimento. MOSFET a svuotamento. MOSFET a 4 terminali. JFET
e MESFET. Esercizi svolti
6) AMPLIFICATORI PER PICCOLI SEGNALI
Amplificatori di segnale: tensione-tensione, tensione-corrente, corrente-tensione,
corrente-corrente. Amplificatori a singolo transistor: le tre configurazioni. Analisi DC
e AC. Modello del BJT per piccoli segnali. Modello del FET per piccoli segnali.
Amplificatori CE, CB, CC. Amplificatori CS, CG, CD. Esercizi svolti.
FINE DEL PROGRAMMA A 6 CREDITI
7) FAMIGLIE LOGICHE E MEMORIE
Requisiti e classificazione delle famiglie logiche. Interruttori complementari: verifica
dei requisiti di famiglia logica. Potenza dissipata. Struttura della porta NOT CMOS.
Analisi statica della porta NOT-CMOS. Analisi dinamica della porta CMOS. Esercizi
svolti.Bistabile (latch). Memorie statiche (SRAM). Memorie dinamiche (DRAM).
Memorie FLASH.
8) COMUNICAZIONE TECNICO-SCIENTIFICA
La letteratura scientifica. Come si scrive una relazione tecnico-scientifica. Come si
prepara una presentazione. Stesura della relazione di laboratorio. Presentazione
alla classe del lavoro svolto.
9) ESERCITAZIONE DI LABORATORIO
Simulazione mediante SPICE. La strumentazione di laboratorio. Simulazione,
realizzazione e test di un prototipo.