Introduzione ai Dispositivi Micro e Nanoelettronici. Volume 1

Lo scopo del presente libro, diviso in due volumi, è lo studio dei meccanismi di funzionamento dei principali dispositivi elettronici con particolare attenzione allo sviluppo dei loro modelli matematici e circuitali, necessari per l’analisi ed il progetto dei dispositivi stessi, e all’esame delle tecnologie realizzative. La parte introduttiva del primo volume, dedicata ai richiami di elettronica quantistica (Cap. 1), alla fisica e ai fenomeni di trasporto dei materiali semiconduttori (Cap. 2 e 3), costituisce una buona base propedeutica utile alla comprensione dei capitoli, che trattano con notevole dettaglio i principi di funzionamento dei vari dispositivi. Una ampia sezione (Cap. 4) viene dedicata ai principali processi tecnologici utilizzati per la realizzazione di dispositivi e circuiti integrati in Si e GaAs. Nel primo volume, inoltre, vengono esaminati i contatti Metallo-Semiconduttore (Cap. 5), le omogiunzioni in silicio e le eterogiunzioni basate su arseniuro di gallio e sui suoi composti (Cap. 6), i dispositivi bipolari BJT e HBT (Cap. 7) ed unipolari JFET (Cap. 8) e MOSFET (Cap. 9). Nel secondo volume, in continuità col primo per quanto riguarda la numerazione dei capitoli, vengono presi in esame i FET in arseniuro di gallio, MESFET ed HEMT (Cap. 10), illustrandone gli aspetti innovativi e mettendo in evidenza anche i risultati più originali ed interessanti della mia ricerca nel settore della fisica, caratterizzazione e modellistica dei dispositivi in GaAs, svolta in un trentennio di attività universitaria. Per ciascun dispositivo sono esaminati i modelli matematici necessari per formalizzarne i principi fisici di funzionamento ed i vari modelli circuitali, per grandi e piccoli segnali e di rumore (Cap. 12) a seconda del tipo di applicazione richiesto al dispositivo. Una particolare attenzione viene posta ai modelli di dispositivi dedicati al CAD di circuiti integrati sia in Si che in GaAs e nella descrizione dei cosiddetti “effetti del secondo ordine”, di cui un buon progettista deve essere consapevole. In questo ambito, un intero capitolo (Cap. 13), dedicato all’analisi ed al progetto full-custom dei circuiti integrati con l’ausilio del calcolatore, rappresenta una utile e veloce guida all’impiego del simulatore PSPICE. Alcuni capitoli sono dedicati all’esame dei principali dispositivi di potenza (Cap. 11) ed optoelettronici (Cap. 14), con l’obiettivo di dare al testo connotazioni di completezza, per quanto possibile, in un settore così vasto e complesso. Nel Cap. 15 viene affrontato lo studio delle principali tecniche di processo (la tecnologia MOS, la CMOS, la bipolare standard e la BiCMOS) per la realizzazione di circuiti ULSI allo scopo di ottimizzare le caratteristiche dei dispositivi attivi impiegati e di mettere in evidenza i motivi per cui si adotta una determinata soluzione tecnologica. In particolare vengono studiati i dispositivi bipolari e MOS nanometrici, mettendo in evidenza le problematiche connesse ad una miniaturizzazione spinta del dispositivo e le soluzioni tecnologiche previste. Nel Cap. 16, dal momento che le memorie a semiconduttore hanno assunto un ruolo sostanziale nell’attuale scenario tecnologico mondiale, essendo necessarie e praticamente presenti in ogni dispositivo elettronico consumer, mi è sembrato opportuno esaminare alcune delle tecnologie impiegate per realizzare dispositivi di memoria, a partire dalla classica struttura del MOS floating gate, del FLOTOX, del MNOS, del SONOS, proseguendo per le innovative memorie a nanocristalli fino ad arrivare alle memorie di ultimissima generazione ferroelettriche e magnetiche. Infine, nel Cap. 17 vengono esaminate le principali problematiche delle nanotecnologie, che segnano una vera e propria rivoluzione tecnologica e rappresentano la soluzione possibile per non frenare il progresso scientifico. In particolare, nell’ampio scenario dei dispositivi nanometrici, vengono esaminati i nanotubi di carbonio, che suscitano un sempre più crescente interesse per le loro singolari proprietà e la loro versatilità. In ogni capitolo vengono proposti diversi esercizi, le cui soluzioni sono sviluppate nel mio testo “Problemi di Analisi e Progetto dei Dispositivi a Semiconduttore”. L’introduzione di questi esercizi ha lo scopo non solo di conferire una impostazione applicativa agli elementi teorici sviluppati ma anche di stimolare il lettore ad una personale analisi dei criteri di progetto presentati nel testo. Ho cercato di rendere la trattazione chiara e, per quanto possibile, esaustiva, guardando soprattutto all’utilità didattica. Nelle mie intenzioni è che il testo, per il suo taglio didattico e per gli esercizi applicativi presenti, possa essere particolarmente adatto agli studenti dei Corsi di Laurea in Ingegneria, Fisica e Scienza dei Materiali, sia triennale che magistrale, e di utilità in corsi propedeutici alla progettazione di circuiti integrati analogici e digitali.