Insegnamenti

Seleziona l'Anno Accademico:     2017/2018 2018/2019 2019/2020 2020/2021 2021/2022 2022/2023
Docente
ANNALISA BONFIGLIO (Tit.)
PIERO COSSEDDU
Periodo
Primo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
 



Informazioni aggiuntive

Corso Percorso CFU Durata(h)
[70/75]  INGEGNERIA BIOMEDICA [75/00 - Ord. 2014]  PERCORSO COMUNE 10 100

Obiettivi

Il corso si suddivide in due moduli. Nel primo modulo, si propone di fornire una descrizione fisica del comportamento dei principali dispositivi elettronici basati sul Silicio e sui materiali semiconduttori cristallini. Nella seconda parte si propone di fornire una descrizione fisica dell'interfaccia bio-elettronica, alla base di tutti i sistemi di rilevazione dei segnali biologici, a partire dagli elettrodi fino ad arrivare ai biosensori. Le proprietà di trasporto dei sistemi ionici verranno affrontate secondo una prospettiva comparata alle proprietà dei sistemi inorganici cristallini (come il silicio e gli altri materiali inorganici) già affrontate nella prima parte del corso.

Prerequisiti

Tutti i corsi di base di Matematica e Fisica, elementi di Chimica.

Contenuti

PRIMO MODULO: ELETTRONICA DEI DISPOSITIVI (40 ore di lezione, 10 di esercitazione)
1) Proprieta’ fisiche dei semiconduttori - Cenni alla meccanica quantistica: il modello energetico di un atomo - Dall’atomo ai cristalli: il modello a bande di energia, popolazione delle bande, livello di Fermi, statistica di Fermi-Dirac - classificazione dei materiali in base alla loro conducibilita’: metalli, semiconduttori, isolanti - Semiconduttori intrinseci ed estrinseci; mobilita’, legge dell’azione di massa - Diffusione, Legge di Einstein
2) La giunzione PN: - generalita’: struttura e distribuzione dei campi elettrici interni, diagramma a bande all’equilibrio, tensione intrinseca - soluzione dell’equazione di Poisson nei casi brusco e a gradiente lineare - Caratteristica C-V; Equazione I-V nel caso ideale - Non idealita’: influenza delle dimensioni dei lati della giunzione, effetti di generazione-ricombinazione, effetti di Resistenza delle regioni neutre e di alto livello di iniezione - Breakdown della giunzione - Circuiti equivalenti: concetto di piccolo segnale, linearizzazione delle curve caratteristiche
3) I contatti metallo-semiconduttore: - generalita’: struttura, diagramma a bande all’equilibrio, classificazione delle interfacce in base alle energie - Contatto Schottky: definizione di altezza di barriera, analisi dei campi elettrici interni e della distribuzione di carica, derivazione della caratteristica corrente-tensione, caratteristica C-V; deviazione dall’idealita’ - Classificazione delle interfacce: effetti chimico-fisici - Caso ohmico, concetto di Resistenza specifica
4) I transistor a effetto di campo - Il transistor come dispositivo attivo: funzionalita’ dei transistor, effetto di campo - Struttura MOS: analisi del diagramma a bande, distribuzione di carica, soluzione dell’equazione di Poisson, distribuzione interna dei potenziali; caratteristiche Capacita’ –Tensione - MOSFET: analisi del comportamento fisico, derivazione dell’equazione della corrente, caratteristica C-V, modello circuitale equivalente.
5) Circuiti a diodi e a transistor, semplici esempi e soluzione dei circuiti

SECONDO MODULO: INTERFACCE BIOELETTRONICHE (50 ore di lezione)
1) COMPLEMENTI DI DISPOSITIVI ELETTRONICI E TECNOLOGIE MICROELETTRONICHE
2) PROPRIETA’ FONDAMENTALI DELLE MOLECOLE BIOLOGICHE Legami chimici, legami fisici. Interazioni tra ioni e molecole nel vuoto e nei mezzi. L’atomo di Carbonio – proprieta’ di ibridizzazione degli orbitali e loro conseguenze.
3) Sistemi molecolari complessi: membrane, proteine, acidi nucleici Proprieta’ di auto-organizzazione delle molecole: Langmuir-Blodgett films, monostrati auto-assemblati. La membrana fosfolipidica. Le proteine. Gli acidi nucleici: struttura, funzione.
4) La cellula: struttura e proprieta’ generali. Segnali elettrici nelle cellule: i neuroni, il potenziale d’azione, la membrana vista come un sistema elettrico, il potenziale d’azione come meccanismo di conduzione elettrica nelle cellule
5) L’interfaccia bioelettronica: elettrodi polarizzabili, non polarizzabili, interfacce isolanti
6) Dispositivi basati sulle interfacce bioelettroniche: ISFET, CHEMFET
7) L’Elettronica dei semiconduttori organici

Metodi Didattici

Il corso si compone di lezioni frontali per entrambi i moduli. Nel primo modulo sono comprese anche alcune esercizazioni, volte a preparare lo studente alla prova scritta dell'esame, mentre nella seconda parte sono compresi alcuni seminari su argomenti piu' strettamente legati ad aspetti piu avanzati riguardanti materiali e dispositivi innovativi, basati sui principi fisici e sulle tecnologie illustrate nel corso.

Verifica dell'apprendimento

L'esame finale consiste in una prova scritta, costituita da 2 esercizi, e di una orale. La parte scritta consente di accertare la capacita' dello studente di applicare i concetti assimilati a problemi di natura piu' pratica. Per la parte scritta: ogni esercizio riguarda il programma di una meta' del modulo di Elettronica dei Dispositivi, ovvero: - il primo esercizio riguarda giunzioni pn e contatti metallo-semiconduttore - il secondo esercizio riguarda MOS e MOSFET Sono ammessi all'orale coloro che ottengono una votazione complessiva almeno pari a 15/30 nello scritto. Successivamente alla prova orale, viene attribuito un voto complessivo pari alla media della valutazione dello scritto e dell'orale,con eventuali arrotondamenti, non superiori o inferiori al 20%.

Testi

Primo Modulo (First part)
L. Colombo, “Elementi di struttura della materia”, Hoepli Editore, Milano
M. Guzzi, “Principi di fisica dei semiconduttori”, Hoepli Editore, Milano
S. M. Sze, “Dispositivi a semiconduttore, comportamento fisico e tecnologia”, Hoepli
R.S. Muller, T.I. Kamins, “Dispositivi elettronici nei circuiti integrati”, Bollati Boringhieri
G. Ghione, “Dispositivi per la microelettronica”,
McGraw-Hill Addison-Wesley Modular Series on Solid State Devices (sono una serie di volumi in inglese, ciascuno dedicato ad un particolare dispositivo)
Secondo Modulo (Second Part):
DISPENSE DEL CORSO (OVE VENGONO INDICATI DI VOLTA IN VOLTA DEI TESTI PER L’APPROFONDIMENTO)
- testo in preparazione

Altre Informazioni

Gli studenti sono incoraggiati a sostenere l'esame al termine delle lezioni. A tale scopo, gli studenti della coorte che ha in piano di studi il corso nell'anno in cui viene impartito, oppure coloro che pur essendo di coorte precedente, riseguono l'esame nell'anno, possono, se vogliono, nell'ambito della sola sessione d'esame successiva alle lezioni del corso, sostenere la prova scritta e quella orale separatamente, ovvero in appelli differenti della stessa sessione (sostenendo lo scritto prima dell'orale).

Questionario e social

Condividi su:
Impostazioni cookie