Ingegneria delle Nanotecnologie - Nanotechnology Engineering

Elementi di meccanica quantistica. Proprietà elettroniche di base dei semiconduttori: struttura cristallina del silicio e principali difetti cristallini; modello di legame nei solidi; bande di valenza e conduzione, gap energetico; distribuzione di Fermi-Dirac; concetto di lacuna; densità degli stati; equilibrio termodinamico e legge dell'azione di massa; doping dei semiconduttori: materiali di tipo n, di tipo p e compensati. Semiconduttori non omogenei: piegamento delle bande, energia cinetica e potenziale dei portatori; correnti di deriva e diffusione; quasi-livelli di Fermi. Processi di generazione e ricombinazione: generalità; assorbimento della radiazione luminosa e fotogenerazione; ricombinazione assistita da trappole; equazioni di continuità. Giunzione p-n: soluzione dell’equazione di Poisson all’equilibrio nell’approssimazione di svuotamento completo; profilo del potenziale elettrostatico e del campo elettrico; effetto di una polarizzazione esterna; derivazione della caratteristica tensione- corrente di un diodo ideale; profilo delle densità di corrente di elettroni e lacune e delle densità spaziali di portatori; deviazioni dal comportamento ideale: diodi a base corta, breakdown della giunzione in polarizzazione inversa, corrente di generazione-ricombinazione, resistenze serie, effetti di alta iniezione. Contatti metallo-semiconduttore: affinità elettronica e funzione lavoro; barriera Schottky; realizzazione di contatti ohmici su silicio di tipo n e di tipo p. Transistor bipolare a giunzione: struttura; derivazione della densità di corrente di elettroni e lacune nelle diverse regioni di funzionamento; parametri di prestazione; modulazione dell’ampiezza di base e punchthrough. Condensatore MOS: struttura ideale; diagrammi a bande e derivazione della densità di carica in funzione della tensione di gate; trappole, difetti carichi e loro effetto sulla tensione di bande piatte; concetto di capacità differenziale; curve capacità-tensione in bassa e alta frequenza; Fowler-Nordheim tunneling. Transistor a effetto di campo (MOSFET): struttura e principio di funzionamento; derivazione della corrente di drain in un transistor a canale lungo adottando il modello quadratico e il modello bulk-charge; derivazione della corrente sottosoglia; differenze con un transistor a canale corto. Introduzione allo scaling: legge di Moore e resa di fabbricazione; scaling a campo costante; effetti dello scaling sulla dissipazione di potenza statica e dinamica, sulla mobilità, sulla variabilità e sui costi non ricorrenti; booster tecnologici. Effetti dello scaling sull’affidabilità nel MOSFET: concetto di elettroni caldi; corrente di perdita attraverso l’ossido di gate; snap-back; latch-up; calcolo del campo elettrico massimo nel canale e soluzioni tecnologiche per la sua riduzione; roll-off della tensione di soglia, drain-induced barrier lowering e punchthrough; correzioni quantistiche al profilo di carica mobile nel canale. Scalabilità dell’ossido di gate: tunneling assistito da stati di trappola; breakdown dell’ossido; modello statistico di Weibull per la formazione di percorsi percolativi; regole di proiezione. Ossidi ad alta costante dielettrica: spessore equivalente; requisiti fondamentali e problemi tecnologici; metodi di deposizione; emissione Poole-Frenkel. Contatti e isolamenti di back-end: ingegnerizzazione dei contatti di source, drain e di gate; tecnologie di isolamento laterale dei dispositivi. Interconnessioni di back-end: livelli di metallizzazione; ritardi di propagazione; processo damascene per la realizzazione di interconnessioni in rame; isolanti a bassa costante dielettrica; problemi affidabilistici legati alla diffusione indotta da stress e all’elettromigrazione. Evoluzioni del MOSFET planare: concetto di lunghezza naturale; architetture silicon-on-insulator, double-gate, FinFET e a nanosheet; concetto di transistor steep-slope; tunnel FET. Memorie a stato solido: transistor floating gate; memorie flash; protocolli di lettura, scrittura e cancellazione; endurance e ritenzione del dato; architetture di tipo NAND e NOR; cenni alle memorie ad intrappolamento di carica; memorie non volatili di tipo resistivo.

Conoscenze di base di elettromagnetismo e analisi matematica.

Richard S. Muller and Theodore I. Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, Wiley Ben Streetman and Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices, Pearson Robert F. Pierret, Semiconductor device fundamentals, Addison Wesley Simon M. Sze and Ming-Kwei Lee, Semiconductor Devices, Wiley Yuan Taur and Tak H. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge University Press Fernanda Irrera, Ultra Large Scale Integration in CMOS technology, Edizioni Efesto

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria anche se fortemente raccomandata.

Esame scritto e orale. L'esame scritto consiste in esercizi e domande teoriche. Gli studenti accedono all'esame orale previo superamento della prova scritta.

Ben Streetman and Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices, Pearson Robert F. Pierret, Semiconductor device fundamentals, Addison Wesley Simon M. Sze and Ming-Kwei Lee, Semiconductor Devices, Wiley Yuan Taur and Tak H. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge University Press Fernanda Irrera, Ultra Large Scale Integration in CMOS technology, Edizioni Efesto

Lezioni frontali, esercitazioni.

Elementi di meccanica quantistica. Proprietà elettroniche di base dei semiconduttori: struttura cristallina del silicio e principali difetti cristallini; modello di legame nei solidi; bande di valenza e conduzione, gap energetico; distribuzione di Fermi-Dirac; concetto di lacuna; densità degli stati; equilibrio termodinamico e legge dell'azione di massa; doping dei semiconduttori: materiali di tipo n, di tipo p e compensati. Semiconduttori non omogenei: piegamento delle bande, energia cinetica e potenziale dei portatori; correnti di deriva e diffusione; quasi-livelli di Fermi. Processi di generazione e ricombinazione: generalità; assorbimento della radiazione luminosa e fotogenerazione; ricombinazione assistita da trappole; equazioni di continuità. Giunzione p-n: soluzione dell’equazione di Poisson all’equilibrio nell’approssimazione di svuotamento completo; profilo del potenziale elettrostatico e del campo elettrico; effetto di una polarizzazione esterna; derivazione della caratteristica tensione- corrente di un diodo ideale; profilo delle densità di corrente di elettroni e lacune e delle densità spaziali di portatori; deviazioni dal comportamento ideale: diodi a base corta, breakdown della giunzione in polarizzazione inversa, corrente di generazione-ricombinazione, resistenze serie, effetti di alta iniezione. Contatti metallo-semiconduttore: affinità elettronica e funzione lavoro; barriera Schottky; realizzazione di contatti ohmici su silicio di tipo n e di tipo p. Transistor bipolare a giunzione: struttura; derivazione della densità di corrente di elettroni e lacune nelle diverse regioni di funzionamento; parametri di prestazione; modulazione dell’ampiezza di base e punchthrough. Condensatore MOS: struttura ideale; diagrammi a bande e derivazione della densità di carica in funzione della tensione di gate; trappole, difetti carichi e loro effetto sulla tensione di bande piatte; concetto di capacità differenziale; curve capacità-tensione in bassa e alta frequenza; Fowler-Nordheim tunneling. Transistor a effetto di campo (MOSFET): struttura e principio di funzionamento; derivazione della corrente di drain in un transistor a canale lungo adottando il modello quadratico e il modello bulk-charge; derivazione della corrente sottosoglia; differenze con un transistor a canale corto. Introduzione allo scaling: legge di Moore e resa di fabbricazione; scaling a campo costante; effetti dello scaling sulla dissipazione di potenza statica e dinamica, sulla mobilità, sulla variabilità e sui costi non ricorrenti; booster tecnologici. Effetti dello scaling sull’affidabilità nel MOSFET: concetto di elettroni caldi; corrente di perdita attraverso l’ossido di gate; snap-back; latch-up; calcolo del campo elettrico massimo nel canale e soluzioni tecnologiche per la sua riduzione; roll-off della tensione di soglia, drain-induced barrier lowering e punchthrough; correzioni quantistiche al profilo di carica mobile nel canale. Scalabilità dell’ossido di gate: tunneling assistito da stati di trappola; breakdown dell’ossido; modello statistico di Weibull per la formazione di percorsi percolativi; regole di proiezione. Ossidi ad alta costante dielettrica: spessore equivalente; requisiti fondamentali e problemi tecnologici; metodi di deposizione; emissione Poole-Frenkel. Contatti e isolamenti di back-end: ingegnerizzazione dei contatti di source, drain e di gate; tecnologie di isolamento laterale dei dispositivi. Interconnessioni di back-end: livelli di metallizzazione; ritardi di propagazione; processo damascene per la realizzazione di interconnessioni in rame; isolanti a bassa costante dielettrica; problemi affidabilistici legati alla diffusione indotta da stress e all’elettromigrazione. Evoluzioni del MOSFET planare: concetto di lunghezza naturale; architetture silicon-on-insulator, double-gate, FinFET e a nanosheet; concetto di transistor steep-slope; tunnel FET. Memorie a stato solido: transistor floating gate; memorie flash; protocolli di lettura, scrittura e cancellazione; endurance e ritenzione del dato; architetture di tipo NAND e NOR; cenni alle memorie ad intrappolamento di carica; memorie non volatili di tipo resistivo.

Conoscenze di base di elettromagnetismo e analisi matematica.

Richard S. Muller and Theodore I. Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, Wiley Ben Streetman and Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices, Pearson Robert F. Pierret, Semiconductor device fundamentals, Addison Wesley Simon M. Sze and Ming-Kwei Lee, Semiconductor Devices, Wiley Yuan Taur and Tak H. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge University Press Fernanda Irrera, Ultra Large Scale Integration in CMOS technology, Edizioni Efesto

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria anche se fortemente raccomandata.

Esame scritto e orale. L'esame scritto consiste in esercizi e domande teoriche. Gli studenti accedono all'esame orale previo superamento della prova scritta.

Ben Streetman and Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices, Pearson Robert F. Pierret, Semiconductor device fundamentals, Addison Wesley Simon M. Sze and Ming-Kwei Lee, Semiconductor Devices, Wiley Yuan Taur and Tak H. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge University Press Fernanda Irrera, Ultra Large Scale Integration in CMOS technology, Edizioni Efesto

Lezioni frontali, esercitazioni.