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Dipartimento di Fisica

Corso di laurea in Fisica

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Oggetto:
Oggetto:

Elettronica

Oggetto:

Electronics

Oggetto:

Anno accademico 2021/2022

Codice dell'attività didattica
MFN0573
Docente
Prof. Luca Pacher (Titolare del corso)
Corso di studi
008703 Laurea in Fisica
Anno
3° anno
Periodo didattico
Secondo semestre
Tipologia
C=Affine o integrativo D=A scelta dello studente
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Mista
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Physics Laboratory II (FIS0112)
Propedeutico a

Electronics courses of the Master's Degree programme such as Applied Electronics (FIS0010), Digital Electronics (FIS0117), Advanced Electronics Laboratory (MFN1324) and Microelectronics (FIS0119)

Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Scopo formativo del corso è fornire un'introduzione all'uso delle trasformate di Fourier e  di Laplace nell'analisi della risposta dei circuiti elettronici a segnali qualsiasi e una prima introduzione al funzionamento dei principali dispositivi elettronici a semiconduttore (diodi, transistori BJT/MOS, amplificatori operazionali) e al loro impiego per la realizzazione di circuiti attivi usati in strumentazione di misura.

La trattazione teorica degli argomenti è accompagnata da esercitazioni pratiche al calcolatore per introdurre l'uso di un simulatore circuitale SPICE professionale per lo studio e la progettazione dei circuiti elettronici.

Le conoscenze di base ottenute dal corso, che completa la sequenza Esperimentazioni II (FIS0112) e Laboratorio di Elettronica (MFN0580) per gli studenti interessati a una formazione di primo livello in campo elettronico,  sono poi utilizzate nei corsi di argomento elettronico più avanzati della Laurea Magistrale.

The goal of the course is to give an introduction to the usage of Fourier and Laplace transforms for the analysis of the response of linear circuits to generic signals and a first introduction to semiconductor electronic devices (diodes, BJT/MOS transistors, operational amplifiers) used to implement active circuits for measurements and instrumentation.

The theoretical treatment of the topics is accompanied by practical exercises with the computer to introduce the usage of a professional SPICE circuit simulator for the study and design of electronic circuits.

This course may be seen as a complement to the sequence Physics Laboratory II (FIS0112) and Electronics Laboratory (MFN0580) for students aiming to a first level introduction to electronics, also leading to more advanced electronics courses in the Master's Degree programme.

 

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi



Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)

Familiarità con il processamento dei segnali nel dominio del tempo e delle frequenza. Comprensione del funzionamento di semplici circuiti lineari, sia attivi che passivi. Comprensione del funzionamento dei sistemi a retroazione negativa e del problema della stabilità. Capacità di utilizzare un programma di simulazione circuitale SPICE per lo studio e la progettazione di circuiti elettronici.


Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Capacità di analisi di segnali in regime DC, AC e impulsivo. Capacità di analisi e sintesi di semplici circuiti passivi e attivi, anche mediante l'utilizzo di un simulatore circuitale SPICE.



Knowledge and understanding

Understanding of signals processing fundamentals in both time and frequency domains. Understanding of simple linear circuits, both passive and active. Understanding of negative-feedback systems and stability issues. Usage of a SPICE circuit simulator for the analysis and design of electronic circuits..


Applying knowledge and understanding

DC, AC and impulsive signals analysis. Analysis and synthesis of simple circuits, both passive and active, also with the support of a SPICE circuit simulator.

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Tradizionale utilizzando la lavagna. Per le lezioni non si utilizzano diapositive proiettate.

Durante il corso si farà inoltre utilizzo di un simulatore circuitale SPICE, nello specifico il pacchetto software LTSpice messo a disposizione gratuitamente dalla Analog Devices. Ogni studente è quindi invitato ad installare questo programma, liberamente scaricabile a partire dal seguente indirizzo:

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Il software è ufficialmente supportato per i sistemi operativi Windows e Mac ma può essere utilizzato senza alcun problema di installazione anche sotto Linux utilizzando l'applicazione Wine.


INFORMATIVA COVID-19

In ottemperanza alle ultime direttive ministeriali le lezioni si terranno in presenza nel rispetto del numero massimo di studenti ammessi in aula secondo le norme vigenti. Per poter seguire le lezioni in presenza gli studenti devono prenotare l'accesso alle aule attraverso la piattaforma Student Booking messa a disposizione dai servizi MyUniTO.

Gli studenti che per motivi di salute, fragilità o altra valida motivazione tra quelle previste dal regolamento in vigore sono impossibilitati a seguire le lezioni in presenza potranno seguire le lezioni da remoto in modalità sincrona attraverso la piattaforma Webex UniTO.

Nel caso in cui la situazione epidemiologica dovesse aggravarsi le lezioni torneranno ad essere svolte soltanto a distanza tramite piattaforma Webex previa decisione da parte degli organi competenti in merito.

La room virtuale per seguire le lezioni da remoto sarà sempre accessibile al seguente indirizzo:

https://unito.webex.com/meet/luca.pacher

Le lezioni verranno anche registrate, tuttavia a meno di serie limitazioni imposte dall'emergenza sanitaria si invitano gli studenti a seguire in presenza le lezioni svolte in modo tradizionale alla lavagna. Nella sezione Orario del corso di questa pagina sono disponibili i links Webex alle video-registrazioni delle lezioni.

Traditional using the blackboard. No slides will be used for lecturing.

During the course it will be also used a SPICE circuit simulator, in particular the free LTSpice software package provided by Analog Device. Each student is therefore requested to install this program, which is freely available starting from the following link:

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

This software is officially supported for Windows and Mac operating systems, but it runs out-of-the-box also under Linux through the Wine application.


 COVID-19 INFORMATION

In agreement with present University and sanitary rules all lectures will be held in presence according to the maximum number of students allowed in the class. In order to be able to attend the lectures in presence students have to book a seat in the class through the Student Booking platform from MyUniTO online services.

A streaming remote connection will be also always available though the Webex UniTO platform for students that are not able to attend lectures in presence due to health issues, fragility or other motivations as specified by University rules.

Webex link to attend lectures remotely:

https://unito.webex.com/meet/luca.pacher

Lectures will be also recorded, however unless true limitations imposed by the current sanitary emergency students are strongly encouraged to attend in presence traditional lectures at the blackboard. In the Course timetable section of this page are tracked Webex links to video-recorded lectures.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Breve esame scritto (risoluzione di 2-3 esercizi di analisi e sintesi di semplici circuiti come quelli discussi a lezione) seguito da discussione orale. Parte integrante dell'esame orale anche una domanda "pratica" relativa all'utilizzo del simulatore circuitale LTspice per lo studio di un circuito proposto dal docente. Non è richiesto l'utilizzo del proprio PC, in quanto il docente metterà a disposizione un computer con LTspice installato.


INFORMATIVA COVID-19

Come previsto dalle ultime direttive di Ateneo in merito all'emergenza sanitaria ancora in corso gli esami dovranno tenersi preferibilmente in presenza.

Gli studenti che per motivi di salute, fragilità o altra valida motivazione tra quelle previste dal regolamento in vigore sono impossibilitati a sostenere l'esame in presenza possono richiedere di sostenere l'esame da remoto attraverso la piattaforma Webex UniTO, specificando al momento della registrazione all'appello alla voce "note" valida motivazione per giustificare tale richiesta.

Le modalità di esame in remoto non cambiano rispetto a quelle dell'esame in presenza.

Short written exam (resolution of 2-3 exercises of analysis and synthesis of simple circuits as those proposed during lectures) followed by an oral discussion. As part of the oral discussion there will be a "practical" question related to the usage of the LTspice circuit simulator to study a circuit proposed by the teacher.  A PC with a proper LTspice installation will be provided to students by the teacher.


 COVID-19 INFORMATION

In accordance to present University directives related to the COVID-19 emergency exams should be held preferably in presence.

Students that due to health issues, fragility or other motivations as specified by University rules are not able to give the exam in presence can request to give the exam remotely through the Webex UniTO platform by providing a valid motivation during the registration procedure in the "notes" field of the online registration form.

Remote examination procedures do not change with respect to those for the exam in presence.

Oggetto:

Attività di supporto

Al termine delle lezioni il docente mette a disposizione alcune ore di lezione aggiuntive in preparazione dell'esame per rispondere a domande da parte degli studenti e per discutere la soluzione di ulteriori esercizi in stile di quelli proposti nell'esame scritto.

Sulla piattaforma Moodle sono inoltre disponibili:

 

At the end of official course lectures the teacher is available for extra hours in preparation of the exam for student questions and to discuss further exercises similar to those proposed in the written exam.

Additionally on the Moodle platform students can also find:

 

Oggetto:

Programma

Il corso si articola su 48 ore di lezione, corrispondenti a 6 CFU. Di seguito un programma dettagliato degli argomenti proposti (cliccare su ogni sezione per espandere e vedere il contenuto).

 Richiami di teoria dei circuiti e legami con le equazioni di Maxwell

 

  • Definizione di tensione tra due punti e di forza elettromotrice. Vettore densità di corrente elettrica. Intensità di corrente elettrica. Legge di Ohm microscopica. Conducibilità e resistività. Dipendenza dalla frequenza e dalla temperatura. Legge di Ohm per un conduttore filiforme. Resistenza e conduttanza. Conduttori, semiconduttori e isolanti. Unità di misura. Ordini di grandezza rappresentativi di correnti e tensioni in ambito elettrotecnico ed elettronico.

  • Derivazione delle leggi dei circuiti a partire dalle equazioni di Maxwell. Equazione di continuità e legge di Kirchoff per le correnti. Corrente di spostamento. Legge di Kirchoff per le tensioni. Limiti di validità delle leggi di Kirchoff, approssimazioni di quasi-staticità. Effetti di propagazione. Circuiti a parametri concentrati vs. distribuiti.

  • Bipoli elettrici fondamentali: resistore, condensatore e induttore. Caratteristiche I/V e relazioni costitutive. Combinazioni serie e parallelo, resistenza equivalente, capacità equivalente e induttanza equivalente. Impedenze complesse per tensioni sinusoidali. Sfasamento corrente-tensione. Richiami sul calcolo simbolico. Reattanza, ammettenza e suscettanza. Effetti parassiti e modellizzazione di elementi reali.

  • Generatori tensione/corrente e loro classificazione. Generatori ideali vs. reali, caratteristiche I/V, resistenza interna, simboli circuitali, esempi. Partitore di tensione e partitore di corrente. Equivalenza tra generatori. Potenza elettrica. Teorema del massimo trasferimento di potenza. Adattamento di impedenza. Generatori controllati e loro utilizzo per la modellizzazione di circuiti attivi. Teorema di Thevenin. Teorema di Norton. Teorema di Millman. Precisazioni sull'utilizzo del power-supply da laboratorio.

 

 Segnali e reti lineari

 

  • Segnali e loro classificazione. Regime DC, AC, impulsivo. Quadripoli, definizioni. Quadripoli passivi, esempi. Richiami su circuiti RC/RL passa alto e passa basso. Funzione di trasferimento per stimoli sinusoidali e dipendenza dalla frequenza. Effetti di carico. Quadripoli lineari. Modello a parametri di impedenza. Modello a parametri di ammettenza. Modello a parametri ibridi. Quadripoli non lineari. Linearizzazione e concetto di punto di lavoro. Esempi di calcolo di parametri di impedenza e ammettenza. Modelli a T e π per quadripoli. Connessione a stella e triangolo. Cenni ai sistemi trifase.

  • Segnali periodici e sviluppo in serie di Fourier. Spettro dei coefficienti. Dominio del tempo e della frequenza. Teorema di sovrapposizione. Esempi di calcolo dei coefficienti di Fourier per segnali di uso comune in elettronica. Estensione a segnali aperiodici, trasformata e anti-trasformata di Fourier, proprietà. Esempi di calcolo di trasformate di Fourier. Adattamento della trattazione a segnali discreti campionati. Cenni alla trasformata di Fourier discreta (DFT) e all'algoritmo Fast Fourier Transform (FFT). Esempio pratico: FFT all'oscilloscopio di un segnale di tipo onda quadra.

  • Estensione a segnali qualunque. Funzioni gradino di Heaviside e delta di Dirac. Frequenza complessa. Trasformata e anti-trasformata di Laplace e proprietà. Esempi di calcoli di trasformate e anti-trasformate di Laplace. Introduzione all'uso delle tabelle delle trasformate. Utilizzo della trasformata di Laplace per la risoluzione di equazioni differenziali. Applicazione ai circuiti. Trasformata di Laplace di elementi circuitali R, L, C. Impedenze complesse generalizzate. Metodo del calcolo simbolico generalizzato. Risposta al gradino e alla delta di circuiti RC/RL del primo ordine. Risposta al gradino e alla delta di circuiti del secondo ordine (RLC serie/parallelo). Poli, zeri e loro classificazione. Criteri di stabilità in base alla posizione dei poli.

  • Poli e zeri di funzioni di trasferimento. Scomposizione in fratti semplici e metodo dei residui, esempi. Fattorizzazione in forma di costante di tempo. Risposta all'impulso h(t). Risposta di quadripoli a stimoli sinusoidali. Risposta stazionaria sinusoidale per sistemi marginalmente-stabili. Risposta in frequenza. Diagrammi del modulo e della fase, decibel. Approssimazione asintotica di Bode. Costruzione dei diagrammi di Bode per modulo e fase. Legame tra risposta in frequenza e sviluppo in serie di Fourier. Esempio pratico: probe dell'oscilloscopio e sua compensazione, cancellazione polo-zero.

 

 Sistemi a retroazione negativa e amplificatori operazionali

 

  • Introduzione agli amplificatori e loro classificazione. Funzioni di trasferimento ingresso/uscita per quadripoli: guadagno di tensione, guadagno di corrente, guadagno di trans-impedenza e guadagno di trans-ammettenza. Effetti di carico. Modelli circuitali per amplificatori di tensione, corrente, trans-impedenza e trans-conduttanza. Segnali differenziali vs. single-ended.

  • Principio di funzionamento dei sistemi retroazionati. Retroazione (feedback) negativa. Funzione di trasferimento a maglia aperta e a maglia chiusa. Approssimazione del guadagno a maglia chiusa per elevati guadagni a maglia aperta. Vantaggi della retroazione negativa.

  • Amplificatori operazionali (OP-AMPs). OP-AMP ideale vs. reale, caratteristiche. Principio della massa virtuale. Applicazioni: comparatore di tensione, amplificatore invertente e non-invertente, buffer, photo-diode amplifier, sommatore, amplificatore differenziale, integratore e derivatore. Risposta in frequenza e diagrammi di Bode per il guadagno a maglia aperta. Banda passante, frequenza di guadagno unitario e prodotto guadagno-banda. Effetto della retroazione sulla banda passante. Risposta al gradino. Limitazione di slew-rate. Introduzione al problema della stabilità nei sistemi a retroazione negativa. Criteri di Barkhausen.

 

 Introduzione al processamento dei segnali da rivelatori di radiazione

 

  • Richiami di interazione radiazione-materia. Rilascio di carica al passaggio di radiazioni ionizzanti. Rivelatori a gas e a stato solido. Capacità del rivelatore. Teorema di Shockley-Ramo. Profilo di corrente nel sensore e approssimazione a delta di Dirac. Circuito elettrico equivalente di piccolo segnale per rivelatori di radiazione. Accoppiamento AC vs. DC tra elettronica e sensore.

  • Amplificatore di carica ideale (Charge-Sensitive Amplifier, CSA). Effetto del guadagno finito sull'efficienza di raccolta della carica. Teorema di Miller.

  • Formazione del segnale (shaping). Definizioni: peak-time, rise-time, pulse-amplitude. Filtro CR-RC e funzione di trasferimento. Implementazione con amplificatori operazionali. Discriminatore e binary readout.

 

 Fisica dei dispositivi a semiconduttore

 

  • Richiami sulla conduzione elettrica nei metalli. Modello di Drude. Modello a gas di elettroni di Sommerfeld-Fermi. Potenziale periodico e teorema di Bloch. Potenziale di Kronig-Penney. Origine fisica della struttura a bande di energia. Banda di valenza e banda di conduzione. Energy gap. Teoria delle bande energetiche nei solidi. Classificazione tra conduttori/semiconduttori/isolanti in termini di bande energetiche.

  • Semiconduttori non-drogati (intrinseci). Moto di portatori in un potenziale periodico. Relazione di dispersione energia/impulso. Massa efficace e introduzione del concetto di lacuna. Calcolo delle concentrazioni di elettroni/lacune all'equilibrio per un semiconduttore intrinseco. Dipendenza dalla temperatura.

  • Semiconduttori drogati (estrinseci). Necessità del drogaggio. Atomi donori e accettori. Drogaggio n-type e p-type. Legge di azione di massa. Correnti in un semiconduttore drogato. Corrente di diffusione e corrente di deriva. Relazione di Einstein tra mobilità e coefficiente di diffusione.

  • Giunzione PN. Trattazione all'equilibrio. Moti di diffusione e ricombinazione, formazione della zona di svuotamento. Profili spaziali di densità di carica, campo elettrico e potenziale elettrico. Potenziale di built-in. Funzionamento in polarizzazione inversa. Estensione della regione di svuotamento. Corrente di saturazione inversa. Capacità di giunzione. Utilizzo come rivelatori di radiazione. Funzionamento in polarizzazione diretta. Raddrizzamento delle bande. Forward current. Equazione di Shockley.

 

 Dispositivi elettronici e circuiti attivi

 

  • Introduzione storica agli amplificatori elettronici. Circuiti attivi, rigenerazione del segnale. Cenni sul principio di funzionamento del diodo a vuoto e delle valvole termoioniche (triodo, tetrodo e pentodo) per realizzare circuiti di amplificazione.

  • Diodo al silicio (richiami). Circuiti con diodi.

  • Il transistor bipolare a giunzione (BJT). Transistor NPN e PNP. Struttura geometrica. Regioni di funzionamento e principio di funzionamento. Correnti di emettitore, base e collettore. Coefficiente di trasmissione e guadagno in corrente a emettitore comune β. Caratteristiche I/V in ingresso e in uscita. Saturazione e interdizione. Amplificatore common-emitter. Punto di lavoro, linearizzazione e amplificazione in tensione.

  • Transistor ad effetto di campo MOS. Dispositivi NMOS e PMOS, struttura geometrica, principio di funzionamento. Oxide capacitance e tensione di soglia. Derivazione della caratteristica I/V in regione deep-triode, lineare e di saturazione. Square-law. Effetto di modulazione della lunghezza di canale. Amplificatore common-source. Linearizzazione e amplificazione. Modello equivalente di piccolo segnale e transconduttanza.

  • Circuiti fondamentali attivi BJT e MOS: amplificatori a singolo stadio e multi-stadio, specchi di corrente, amplificatori differenziali, amplificatori operazionali.

 

The course consists of 48 hours of lectures, corresponding to 6 CFU. In the following a detailed overview of topics proposed and discussed in the course (left-click on each section to expand and view the content).


 Review of circuit theory fundamentals and links with Maxwell's equations

 

  • Voltage and electromotive force definitions. Electric current density vector. Electric current intensity. Microscopic form of the Ohm's law. Electrical conductivity and resistivity. Frequency and temperature variations. Ohm's law for a linear conductor. Resistance and conductance. Conductors, semiconductors and insulators. Measurement units. Representative orders of magnitude for currents and voltages in electrical and electronic engineering fields.

  • Derivation of fundamental circuits laws from Maxwell's equations. Continuity equation and Kirchoff's current law. Displacement current. Kirchoff's voltage law. Limits of validity for Kirchoff's laws, quasi-static approximations. Propagation effects. Lumped vs. distributed circuits.

  • Fundamental two-terminals passive circuit elements: resistor, capacitor and inductor. I/V characteristics and constitutive equations. Series and parallel combinations, equivalent resistance, capacitance and inductance. Complex impedances for sinusoidal voltage waveforms. Current-voltage phase relationships. Review of symbolic circuits analysis. Reactance, admittance and susceptance. Parasitic effects and modeling of real two-terminal circuit elements.

  • Voltage/current sources and classification. Ideal vs. real sources, I/V characteristics, internal resistance, electrical circuit symbols, examples. Voltage divider and current divider. Equivalence between voltage and current sources. Electric power. Maximum power transfer theorem. Impedance matching. Controlled sources and their usage for active-circuits modeling. Thevenin's theorem. Norton's theorem. Millman's theorem. Some clarifications about the usage of the bench power supply in the lab.

 

 Signals and linear networks

 

  • Classification of electric signals. DC, AC and impulsive signals. Two-ports networks. Passive two-ports networks, examples. Review of high-lass and low-pass RC/RL circuits. Transfer function for sinusoidal input stimuli and frequency dependency. Loading effects. Linear two-ports networks. Impedance parameters model. Admittance parameters model. Hybrid parameters model. Non-linear four terminal networks. Linearization, DC operating point. Examples. Four-networks T and π models. Star and triangle connections. Short account on three-phases systems.

  • Periodic signals and Fourier series. Coefficients spectrum. Frequency domain and time domain. Superimposition theorem. Examples for commonly used electronic signals. Extension to non-periodic signals. Fourier transform and inverse Fourier transform. Short account on sampled discrete signals, Discrete Fourier Transform (DFT) and Fast Fourier Transform (FFT) algorithm. Practical example: FFT at the oscilloscope of a square waveform.

  • Extension to generic signals. Heaviside's step function and Dirac's delta. Complex frequency. Laplace transform and inverse Laplace transform. Properties and examples. Introduction to the usage of Laplace transform tables. Usage of the Laplace transform to solve circuits differential equations. Laplace transform of basic R,L,C two-terminal electric components. Generalized complex impedances. Generalized symbolic circuits analysis. Step and impulse response of first-order RC/RL circuits. Step and impulse response of second-order circuits (RLC series/parallel). Poles, zeros and classification. Stability criteria according to poles positioning.

  • Poles and zeroes of transfer functions. Partial fraction decomposition and residue theorem, examples. Factorization in time-constant form. Impulse response h(t). Steady-state sinusoidal response for marginal-stable systems. Frequency response. Magnitude and phase plots, decibel unit. Asymptotic Bode diagram approximation. Construction rules for Bode magnitude and phase diagrams. Frequency response and Fourier series. Practical example: oscilloscope probe compensation, pole-zero cancellation.

 

 Negative feedback systems and operational amplifiers

 

  • Introduction to electronic amplifiers and classification. Input/output transfer functions for two-ports networks: voltage gain, current gain, trans-impedance gain and trans-admittance gain. Loading effects and ideal conditions. Circuit models for voltage amplifiers, current amplifiers, trans-impedance amplifiers and trans-conductance amplifiers. Differential signals vs. single-ended signals.

  • Fundamentals of feedback systems. Negative feedback. Open-loop and closed-loop transfer functions. Closed-loop gain approximation for high open-loop gain. Advantages of negative feedback.

  • Operational amplifiers (OP-AMPs). Ideal vs. real OP-AMP. Virtual ground principle. Applications: voltage comparator, inverting and non-inverting amplifier, buffer, photo-diode amplifier, summing amplifier, differential amplifier, integrator and differentiator amplifiers. Frequency response and Bode diagrams for the open-loop gain. Bandwidth, unity-gain frequency and gain-bandwidth product. Feedback effect on the closed-loop bandwidth. Step response. Slew-rate limitation. Introduction to stability issues for negative-feedback systems. Barkhausen stability criteria.

 

 Introduction to signal processing for radiation sensors

 

  • Review of radiation interaction with matter. Radiation-induced charge deposition from ionizing particles. Gas and silicon detectors. Detector capacitance. Shockley-Ramo theorem. Detector current profile and Dirac delta-like approximation. Small-signal electric equivalent model for radiation sensors. AC vs. DC coupling between sensor and electronics.

  • The ideal charge amplifier (Charge Sensitive Amplifier, CSA). Effect of the finite open-loop gain on the charge-collection efficiency. Miller theorem.

  • Signal shaping. Definitions: peak-time, rise-time, pulse-amplitude. RC-CR filter and transfer function. Practical implementation using operational amplifiers. Hit discrimination and binary readout.

 

 Physics of semiconductor devices

 

  • Review of electrical conduction in metals. Drude model. Sommerfeld-Fermi free electron-gas model. Periodic potential and Bloch theorem. Kronig-Penney potential. Origin of the electronic band structure in solids. Valence band and conduction band. Energy gap. Theory of band structure in solids. Classification of conductors/semiconductors/insulators in terms of electronic band.

  • Non-doped (intrinsic) semiconductors. Charge carriers movement into a periodic potential. Energy/momentum dispersion relation. Effective mass and introduction to holes. Evaluation of electrons/holes concentrations at equilibrium for an intrinsic semiconductor. Temperature dependence.

  • Doped (extrinsic) semiconductors. Necessity of doping. Donors and acceptors atoms. n-type and p-type doping. Mass action law. Electric currents in doped semiconductors. Diffusion current and drift current. Einstein relation between mobility and diffusion coefficient.

  • PN junction. Zero-bias (equilibrium) operating mode. Diffusion and recombination, depletion region. Spatial of charge carrier densities, electric field and electric potential. Built-in potential. Reverse-bias operating mode. Widening of the depletion layer. Reverse saturation current. Junction capacitance. Solid states ionization chambers. Forward-bias operating mode. Band flattening, forward current, Shockley equation.

 

 Electronic devices and active circuits

 

  • Short historical introduction to electronic amplifiers. Active circuits, signals regeneration. Principles of operation of vacuum tubes (diode, triode, tetrode and pentode).

  • Review of the silicon diode. Electronic circuits with diodes.

  • The Bipolar Junction Transistor (BJT). NPN and PNP devices. Geometrical structure. Operating modes and working principle. Emitter, base and collector currents, forward transmission coefficient. Common-emitter forward current gain β. Input and output I/V characteristics. Saturation and interdiction. Common-emitter amplifier. Quiescent point, linearization and voltage gain.

  • The MOS field effect transistor. NMOS and PMOS devices. Geometrical structure. Operating modes and working principle. Oxide capacitance and threshold voltage. Evaluation of the I/V characteristic in deep-triode, linear and saturation operating modes. Square-law. Channel-length modulation effect. The common-source amplifier. Quiescent point, linearization and voltage gain. Small-signal equivalent model and transconductance.

  • Fundamental active circuits with BJT and MOS transistors: single-stage amplifiers, current mirrors, differential amplifiers, operational amplifiers.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Non è richiesto acquistare un libro di testo specifico. Alcuni riferimenti utili sono:

  • G. Rizzoni, Principles and Applications of Electrical Engineering - McGraw-Hill
  • A. Rivetti, CMOS Front-End electronics for Radiation Sensors - CRC Press
  • S.M. Sze, Semiconductor Devices, Physics and Technology - Wiley&Sons
  • G. Parker, Introductory Semiconductor Device Physics - CRC press
  • B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics - Wiley&Sons
  • D.A. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design - Wiley&Sons
  • C. May, Passive Circuit Analysis with LTspice: An Interactive Approach - Springer

 

Può forse interessare che il testo di Razavi è anche quello di riferimento per il corso di Elettronica Applicata (FIS0010), mentre il testo di Sze è tra i testi consigliati per il corso di Fisica dei Semiconduttori con Laboratorio (FIS0121), entrambi corsi della Laurea Magistrale.

Il libro Fundamentals of Microelectronics è inoltre accompagnato da una collezione di 45 video-lezioni tenute dall'autore Razavi e liberamente disponibili sul canale YouTube.

Le dispense PDF delle lezioni (tracce delle lezioni redatte dal Prof. Menichetti, titolare del corso fino all'Anno Accademico 2020-21) sono disponibili alla voce Materiale didattico di questa pagina.

It is not required to buy a specific book for the course. Some useful references are:

  • G. Rizzoni, Principles and Applications of Electrical Engineering - McGraw-Hill
  • A. Rivetti, CMOS Front-End electronics for Radiation Sensors - CRC Press
  • S.M. Sze, Semiconductor Devices, Physics and Technology - Wiley&Sons
  • G. Parker, Introductory Semiconductor Device Physics - CRC press
  • B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics - Wiley&Sons
  • D.A. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design - Wiley&Sons
  • C. May, Passive Circuit Analysis with LTspice: An Interactive Approach - Springer

 

It might be of interest to mention that the book by Razavi is the main reference texbook recommended for the Applied Electronics (FIS0010) course, while the book by Sze is one of the reference textbooks adopted for the Semiconductor Physics with Laboratory (FIS0121) course, both courses offered by the Master's Degree programme.

The book Fundamentals of Microelectronics is also accompanied by a collection of 45 video-lectures given by the author Razavi and freely available on the YouTube channel.

Lecture notes in PDF written by Prof. Menichetti (lecturer for this course until Academic Year 2020-21) are available in the Course material section of this page.



Oggetto:

Orario lezioni

Lezioni: dal 15/03/2022 al 10/06/2022

Nota:

Le lezioni del corso si terranno principalmente il martedì e il giovedì pomeriggio dalle ore 16.00 alle 18.00 in Aula Franzinetti, con alcuni spostamenti nella fascia 15.30-17.30. Alcuni giorni di lezione sono stati tuttavia assegnati il mercoledì, mentre alla fine del semestre le lezioni saranno la mattina.



Si invita quindi lo studente a prendere visione dell'orario dettagliato del corso sotto riportato, disponibile anche su CampusNet al seguente indirizzo:


https://fisica.campusnet.unito.it/do/documenti.pl/Show?_id=gexp



Giorno Orario Aula Note
15/03/2022 - Mar 16.00 - 18.00 Franzinetti
17/03/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti
23/03/2022 - Mer 15.30 - 17.30 Franzinetti
24/03/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti
30/03/2022 - Mer 15.30 - 17.30 Franzinetti CANCELLATA
05/04/2022 - Mar 15.30 - 17.30 Franzinetti
07/04/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti Esercitazione LTspice
12/04/2022 - Mar 15.30 - 17.30 Franzinetti
21/04/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti
26/04/2022 - Mar 15.30 - 17.30 Franzinetti
28/04/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti
03/05/2022 - Mar 15.30 - 17.30 Webex Esercitazione LTspice
05/05/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti
10/05/2022 - Mar 15.30 - 17.30 Franzinetti
17/05/2022 - Mar 15.30 - 17.30 Franzinetti
19/05/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti
24/05/2022 - Mar 15.30 - 17.30 Magna
25/05/2022 - Mer 10.30 - 12.30 Magna
26/05/2022 - Gio 16.00 - 18.00 Franzinetti
27/05/2022 - Ven 08.30 - 10.30 Magna
03/06/2022 - Ven 08.30 - 10.30 Webex Esercitazione LTspice
07/06/2022 - Mar 10.30 - 12.30 Magna
08/06/2022 - Mer 08.30 - 10.30 Magna
09/06/2022 - Gio 08.30 - 10.30 Magna
10/06/2022 - Ven 10.30 - 12.30 Magna
10/06/2022 - Ven 14.00 - 18.00 Aula D Esercitazione LTspice


IMPORTANTE

Per gli studenti non frequentanti: contattare il docente per ricevere la chiave di accesso.



Oggetto:

Note

Frequenza non obbligatoria. Tuttavia è fortemente consigliato di seguire le lezioni, preferibilmente in presenza a meno di serie limitazioni imposte dall'emergenza sanitaria ancora in corso.

Attending lectures is not mandatory. However it is strongly recommended to attend the lectures, preferably in presence unless true strong limitations imposed by the current sanitary emergency. 

Oggetto:
Ultimo aggiornamento: 30/06/2022 11:29
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