Fisica dei semicondutori; la giunzione pn; il transistor a effetto campo; il transistor bipolare; amplificatori lineari; risposta in frequenza degli amplificatori lineari
in alternativa
M. Pieraccini "Fondamenti di Elettronica", Pearson, 2014
per consultazione
D. Mecatti, M. Pieraccini "Fondamenti di Elettronica", Esculapio, 2013
Obiettivi Formativi
1) Conoscenza e comprensione delle nozioni di base sull'elettronica dei dispositivi a semiconduttore.
2) Capacità di applicare le conoscenza mediante l'analisi "carta e penna" di semplici circuiti a transistor.
3) Capacità di simulare circuiti a diodi e transistor mediante opportuni software di simulazione circuitale.
4) Capacità di applicare le conoscenze acquisite alla progettazione di semplici circuiti a transistor.
5) Capacità di realizzare e testare in laboratorio semplici circuiti elettronici.
6) Capacità di esporre logicamente una dimostrazione scientifica su un aspetto dell'elettronica moderna.
7) Capacità di approfondire autonomamente argomenti più avanzati di elettronica
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) uso di software CAD per la progettazione di circuiti elettronici
4) esercitazioni di laboratorio
Modalità di verifica apprendimento
1) Conoscenze di base sull'elettronica dei dispositivi a semiconduttore. Verifica mediante quiz a risposta multipla.
2) Capacità di esporre logicamente una dimostrazione scientifica su un aspetto dell'elettronica moderna. Verifica mediante domande orali.
3) Capacità di analizzare "carta e penna" semplici circuiti a transistor.
Verifica mediante esercizi scritti.
4) Capacità di progettare semplici circuiti a transistor.
Verifica mediante esercizi scritti.
5) Capacità di realizzare e testare in laboratorio semplici circuiti elettronici.
Verifica mediante sessioni di laboratorio.
Regolamento esami di Elettronica Generale
1) Durante il corso sarà effettuata una PRIMA PROVA SCRITTA PARZIALE che consisterà di esercizi e domande a risposta multipla. E’ consentito consultare un formulario personale di mezza pagina formato A4 con caratteri maggiori di 10p.
2) Durante il corso sarà effettuata una SECONDA PROVA SCRITTA PARZIALE che consisterà di esercizi e domande a risposta multipla. E’ consentito consultare un formulario personale di mezza pagina formato A4 con caratteri maggiori di 10p. La partecipazione alla seconda prova è riservata agli studenti che hanno superato la prima prova con votazione maggiore o uguale a 15/30.
3) Durante il corso verrà svolta un’attività di LABORATORIO (a gruppi di 3/4 studenti) al termine della quale gli studenti otterranno un giudizio di idoneità. Un giudizio positivo è necessario per accedere alla prova orale. L’attività di laboratorio si svolge solo durante il corso. Solo in casi eccezionali e motivati uno studente potrà svolgere l’attività di laboratorio fuori dal periodo didattico.
4) La prova orale consiste di una PROVA PRATICA DI SIMULAZIONE circuitale e una DOMANDA DI TEORIA. 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 e aver conseguito un giudizio positivo di idoneità all'attività di laboratorio. Non è consentito chiedere di ripetere la prova orale per migliorare il voto, se il voto finale è maggiore di 18.
5) Il voto finale è la media tra le prove scritte (S1, S2), la prova di simulazione (SIM) e la prova di teoria (TEO). Quindi: V=(S1+S2+SIM+TEO)/4
6) Al di fuori del corso, sono fissati 7 appelli scritti (prove scritte totali). Ciascuna prova consisterà di esercizi e domande a risposta multipla. E’ consentito consultare un formulario personale di mezza pagina formato A4 con caratteri maggiori di 10p. La prova scritta totale può essere ripetuta per migliorare il voto. Nel caso di più voti, vale il voto più alto (anche se non è il più recente). La PROVA SCRITTA TOTALE (ST) è pesata 2, quindi il voto è calcolato come segue: V=(2*ST+ SIM+TEO)/4
Programma del corso
I numeri dei paragrafi di riferiscono all’indice di Massimiliano Pieraccini “Microelettronica” Pearson 2016, quando non diversamente specificato.
Cap. 1 Fisica dei semiconduttori
1.4 Legge di Ohm (ripasso di un argomento già trattato nel corso di Fisica)
1.5 Isolanti e conduttori
1.6 Semiconduttori
1.7 Elettroni nei semiconduttori
1.8 Lacune
1.9 Effetto Tunnel
1.10 Dualità onda-corpuscolo
1.11 Silicio Intrinseco
1.12 Silicio drogato con impurità di tipo n
1.13 Silicio drogato con impurità di tipo p
1.14 Legge di azione di massa
1.15 Correnti di diffusione
1.16 Potenziale built-in
1.18 Tecnologia del silicio monocristallino
Cap. 2 La giunzione pn
2.2 Realizzazione di una giunzione pn
2.3 Il diodo
2.5 Regione di svuotamento (senza calcoli, ma solo andamenti qualitativi e formula finale del potenziale di giunzione)
2.9 Principio di funzionamento del diodo
2.15 Il diodo reale (questo paragrafo è relativo a Massimiliano Pieraccini, Daniele Mecatti “Fondamenti di Elettronica” Esculapio 2013.)
2.16 Il diodo Zener
Cap. 4 Il Transistor a effetto campo
4.2 Tipologia dei transistor a effetto campo
4.3 Il capacitore MOS
4.6 MOSFET a canale n ad arricchimento per grandi tensioni
4.8 Modulazione del canale
4.9 Realizzazione fisica del MOSFET (lettura consigliata)
4.10 Recenti sviluppi della tecnologia dei MOSFET (lettura consigliata)
4.11 Legge di Moore e miniaturizzazione dei MOSFET (lettura consigliata)
4.12 MOSFET a canale n ad arricchimento con carico resistivo
4.13 MOSFET come amplificatore di tensione
4.14 Polarizzazione del MOSFET a canale n ad arricchimento
4.15 Rete di polarizzazione con resistenza di source
4.16 Polarizzazione con generatore di corrente
4.17 Specchio di corrente
4.18 Rete di polarizzazione con resistenza di gate
4.20 MOSFET in saturazione come carico attivo
4.21 MOSFET a svuotamento
4.22 Polarizzazione del MOSFET a svuotamento
4.23 MOSFET a svuotamento come carico attivo
4.24 MOSFET a canale p ad arricchimento
4.25 Prospetto riassuntivo dei MOSFET a tre terminali (lettura consigliata)
4.26 MOSFET a quattro terminali
Cap. 5 Il transistor bipolare
5.2 Realizzazione fisica del BJT
5.3 Regioni di funzionamento
5.4 Regione attiva diretta (senza calcoli, solo andamenti qualitativi delle concentrazioni dei portatori, formula finale della corrente di collettore, eq. 5.6 e eq. 5.7, formula finale della corrente di base, eq. 5.13, e rapporto corrente di collettore/corrente di base, eq. 5.16 e eq. 5.17)
5.6 Interdizione
5.7 Saturazione
5.8 Caratteristica di uscita del BJT
5.9 Effetto Early (senza calcoli, solo qualitativo)
5.10 Il BJT pnp
5.11 Il BJT come interruttore
5.12 Il BJT come amplificatore di tensione
5.13 Polarizzazione del BJT
5.14 Polarizzazione del BJT mediante rete a 4 resistori
5.15 Polarizzazione del BJT mediante generatore di corrente
5.16 Specchio di corrente a BJT
5.18 BJT e FET (lettura consigliata)
Capitolo 7 Gli amplificatori
7.2 Gli amplificatori
7.3 Amplificatori lineari
7.4 Principio di sovrapposizione e non linearità (solo fino a pag. 194)
7.5 Modello linearizzato del FET a tre terminali
7.7 Resistenze viste ai terminali del MOSFET
7.8 Le tre configurazioni del FET
7.9 Modello linearizzato del BJT
7.10 Resistenze viste ai tre terminali del BJT
7.11 Le tre configurazioni del BJT
7.12 Analisi e progetto
7.13 Analisi di un amplificatore di tensione a singolo MOSFET in configurazione CS
7.14 Progetto di un amplificatore di tensione a singolo MOSFET in configurazione CS
7.15 Progetto di un buffer di tensione a singolo MOSFET in configurazione CD
7.16 Amplificatori reazionati
7.17 Progetto di un amplificatore di tensione reazionato CE
7.18 Teorema di Miller (ripasso di un argomento già trattato nel corso di Teoria dei Circuiti, è richiesto solo il risultato, non la dimostrazione)
7.19 Amplificatore a MOSFET con resistore tra gate e drain
7.20 Amplificatori a carico attivo
NOTA: Le varie configurazioni di amplificatori realizzate con la rete a 4 resistori sono spiegate con molto dettaglio in Massimiliano Pieraccini, Daniele Mecatti “Fondamenti di Eletronica” Esculapio 2013 nei paragrafi 6.5-6.16. Se ne consiglia la lettura per chi trovasse difficoltà nell’analisi dei circuiti dati a lezione come esercizi.
Capitolo 8 Risposta in frequenza degli amplificatori
8.1 Risposta in frequenza degli amplificatori
8.2 Risposta in frequenza delle reti lineari
8.3 Risposta in frequenza degli amplificatori lineari
8.4 Risposta di un amplificatore di tensione CS alle basse frequenze
8.5 Risposta di un amplificatore CE alle basse frequenze
8.6 Regola (quasi) generale per la stima della frequenza di taglio inferiore
8.7 Amplificatori alle alte frequenze
8.12 Modello del BJT ad alta frequenza
8.13 Risposta dell’amplificatore CE ad alta frequenza
8.14 Regola (quasi) generale per la stima della frequenza di taglio superiore
8.15 Cascode
DOMANDE A QUIZ E ESERCIZI SVOLTI
Il libro Massimiliano Pieraccini, Microelettronica, Pearson 2014 è corredato di quiz ed esercizi svolti accessibili in rete mediante account personale (che viene fornito all’acquisto del libro).
Tuttavia, quiz ed esercizi saranno forniti agli studenti che seguono il corso anche mediante la piattaforma Moodle.
ESERCITAZIONE DI LABORATORIO
Il corso comprende un’esercitazione di laboratorio che consiste di due sedute di 8 ore l’una.
Gli studenti simuleranno e realizzeranno su basetta prototipale un amplificatore audio a singolo BJT. L’amplificatore sarà testato utilizzando un microfono e una cassa audio.
La descrizione dettagliata dell’amplificatore e la scheda da compilare durante l’esercitazione saranno forniti mediante la piattaforma Moodle.