Carbon NanoTubes (CNTs) are one of the most promising materials for future electronics. Among their possible applications, CNTFETs (Carbon NanoTube Field-Effect Transistors) are the most interesting since they are expected to sustain the transistor scalability, increasing performances of classical silicon-based devices as well. This book collects five chapters and is dedicated to the study of the design principles of analogue and digital circuits with CNTFETs, showing innovative aspects and highlighting the most original research results carried out by us in the recent years and developed at Electronic Devices Laboratory of Polytechnic University of Bari, Italy. In particular, in the first chapter, the Authors present a detailed study of Carbon NanoTubes (CNTs), introducing their physical characteristics which give them unique properties and enhanced versatility. The second chapter is focused on an exhaustive description of the basic types of CNTFETs, analyzing for each one the principle of operation. In the third chapter the Authors examine the modelling issue, with particular reference to conventional CNTFETs, reviewing a compact, semi-empirical model of CNTFETs, already proposed by us. Here we will introduce new solutions to allow an easy implementation in the most common circuit simulators, such as SPICE and Verilog-A. The study of design principles of typical analogue circuits and logic blocks with CNTFETs is described in the fourth chapter. The Authors discuss the simulation results obtained implementing the CNTFET model both in Verilog-A and in SPICE. A particular attention will be paid to the study of CNTFETs as memory devices through the design of a 16 bit SRAM. In the last chapter static and dynamic analysis of basic digital circuits is carried out, verifying the results by means of a comparison with those obtained by Prof. Wong at Stanford University.
The book presents a review of some projects in the field of biomedical electronics, developed at Electronic Devices Laboratory of Polytechnic University of Bari, Italy, within a research program, with the support of national university medical centres.
Ideal as a reference for professional engineers or as a text for university courses in biomedical electronic engineering, the proposed book includes seven chapters.
The first one presents a medical electronic-computerized platform for diagnostic use, which allows doctors to carry out a complete cardio-respiratory control on remote patients in real time. The system, in its version for diagnostic use, has been verified by the heart specialists of the Institute of Cardiology (University of Bari, Italy).
In the second chapter the authors review an intelligent system to measure the blood arterial pressure on remote multi-patients in real time. The system, based on the oscillometric method, has been realized and tested.
The third chapter presents a new system for acquiring simultaneously breathing rate and kinetic activity over a period of twenty-four hours. The system is based on a couple of sensors, which are very light, absolutely non- invasive, and compatible with everyday life.
In the fourth chapter the authors review a microcontroller-based digital electronic device, designed and realized with reference to the most advanced and reliable electronic technologies, oriented to the monitoring of the respiratory cycle and the relevant ventilator setting.
In the fifth chapter the architecture of a non-invasive, continuous blood glucose monitoring system, based on dielectric spectroscopy, is reviewed. The proposed architecture allows to acquire easily the dependence on frequency for both amplitude and phase of the dielectric constant from which the glucose levels in blood is estimated.
In the sixth chapter the authors review a sensor for the non-invasive monitoring of the oxygen saturation in blood, which has been designed, realized and tested to obtain an ultra-small device having very high noise immunity. The proposed design allows the acquisition of the continuous component of the signal and the data elaboration has been done in place using a local CPU, without requiring to pass data to an external computer.
Finally, last chapter is devoted to describe, at first, hadrontherapy, which is the most important way to fight against deep-sided cancer and today seems to be the main method able to replace radiosurgery. This therapy exploits the capability of accelerated hadrons to hit ill tissue with high accuracy, without any damage to neighbour tissues. This chapter presents the design of a PBG-based resonant cavity, able to accelerate hadrons obtaining a low-cost accelerator, whose sizes are smaller than the classical cyclotron, which is now used to accelerate hadrons with a lot of limitations. Moreover the designed PBG accelerator has been realized and characterized by the authors for the first time in Europe.
Prediction through modelling forms the basis of engineering design. The computational power at the fingertips of the professional engineer is increasing enormously and techniques for computer simulation are changing rapidly. Engineers need models which relate to their design area and are adaptable to new design concepts. They also need efficient and friendly ways of presenting, viewing and transmitting the data associated with their models.
This book collects five chapters and provides a detailed guide for the design and test of electronic and optoelectronic devices allowing engineers to simulate individual devices and electronic circuits and performing a large number of different analyses needed for tasks such as verification of circuit designs and prediction of circuit performance.
A particular attention is devoted to scaling of transistors, which in the last half of century has been the driving force for electronics.
A wide variety of devices are also being explored to complement or even replace silicon transistors at molecular scales. Similarities between nanoscale and microscale transistors exist, but nanotransistors also behave in drastically different ways. For example, ballistic transport and quantum effects become much more important.
Moreover the downscaling of power integrated devices and the increase of the dissipated power density emphasise the importance of a proper thermal analysis during the design process. Particularly in GaAs technology, one of the main problems to overcome is the low thermal conductivity of the semiconductor, which focuses the designer’s interest both on the device layout and package thermal optimization when good reliability is to be achieved.
Dopo l’esame delle principali problematiche delle nanotecnologie, che segnano una vera e propria rivoluzione tecnologica e rappresentano la soluzione possibile per non frenare il progresso scientifico, l’attività di ricerca nell’ambito del suddetto tema riguarda lo studio dei nanotubi di carbonio, che suscitano un sempre più crescente interesse per le loro singolari proprietà e la loro versatilità. In particolare l’equazione della dispersione costituisce un efficace metodo per studiare e caratterizzare le loro proprietà elettroniche.Attualmente è in corso di svolgimento una ricerca riguardante il modelling di dispositivi elettronici unipolari su nanotubi di carbonio, sia in condizioni di sottosoglia che non.
La ricerca affronta dapprima lo studio delle principali tecniche di processo 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. Successivamente la ricerca affronta l’esame dei criteri di progetto dei dispositivi bipolari e MOS nanometrici, mettendo in evidenza le problematiche connesse ad una miniaturizzazione spinta del dispositivo e le soluzioni tecnologiche previste.
Le memorie a semiconduttore hanno assunto un ruolo sostanziale nell’attuale scenario tecnologico mondiale, essendo necessarie e pressocchè presenti in ogni dispositivo elettronico consumer. Esse trovano applicazione, infatti, nei personal computer, nei cellulari, nelle macchine fotografiche digitali, nei sistemi audio: ovunque ci sia, insomma, la necessità di memorizzare dati, in piccole o grandi quantità e con tempi di accesso più o meno ridotti. La ricerca riguarda in particolare l’esame di 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 a film sottile, le prime basate sulla variazione dello stato di polarizzazione di un condensatore ferroelettrico, le seconde basate sull’impiego del cosiddetto effetto magneto-resistivo gigante.
Sono in fase di studio alcuni tipi di dispositivi elettronici ed optoelettronici basati sugli effetti fotonici a banda proibita. Di particolare interesse sono alcune configurazioni non convenzionali della cella elementare, in generale assunta in letteratura solo di tipo rettangolare o triangolare. Lo studio vuole anche stabilire eventuali caratteristiche di dispositivi costituiti da colonne di tipo ellittico e con orientazione generica ed eventuali applicazioni in campo ingegneristico.
Ad oggi è stato sviluppato ed implementato un nuovo modello per lo studio fotonico delle cavità ed è stato progettato, realizzato e caratterizzato sperimentalmente, anche in criogenia, un prototipo, attualmente unico in Europa, di cavità risonante-accelerante, dalle prestazioni eccezionali, finalizzato ad accelerare particelle per adroterapia dei tumori. La cavità, a basso costo e di dimensioni miniaturizzate, permette la soppressione dei modi di ordine superiore e dei campi di scia, la cui presenza comprometterebbe l’efficacia della terapia stessa.
La ricerca è relativa allo sviluppo ed implementazione di nuovi modelli elettrotermici ed alla caratterizzazione sperimentale fino a 50 GHz di dispositivi alle iperfrequenze (MESFET, HEMT, HBT) e su cristalli fotonici (PBG). Il laboratorio è dotato, allo scopo, di Probe Station RF1 ed oscilloscopio HP con plug in @ 50 GHz. In tale ambito è stato anche progettato, realizzato e caratterizzato in collaborazione con l’Alenia Aerospazio, un amplificatore impiegante PHEMT, funzionante in banda X, montato su SAR attualmente in orbita.
E’ attualmente in fase di studio la progettazione di un sistema di trasferimento di potenza senza collegamenti tramite Laser. Tale sistema avrebbe notevoli applicazioni tanto in campo civile quanto militare ed è di enorme interesse per risolvere il problema del trasferimento di energia nel corso delle missioni spaziali. Nell’ambito di questo progetto si sta affrontando lo studio dei diodi laser di potenza con mezzo attivo a quantum well. Questi dispositivi hanno raggiunto negli ultimi anni un’affidabilità e maturità tecnologica che li rendono ottimi candidati per questo tipo di applicazioni. In particolare è stato sviluppato un modello del guadagno del mezzo attivo da integrare con modelli ottici per mettere appunto strumenti di progettazione flessibili che consentano di simulare le caratteristiche di funzionamento dei diodi laser.
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