Fundamentación de la adecuación curricular de Física III a las necesidades de IACI. Relación con Electrónica Analógica I

Transcripción

1 1 Fundamentación de la adecuación curricular de Física III a las necesidades de IACI. Relación con Electrónica Analógica I En el campo de la Ingeniería en Automatización y Control, es común el desarrollo de sistemas electrónicos que utilizan sensores, que convierten señales físicas en eléctricas, y actuadores, que convierten señales eléctricas en variables físicas. En cualquiera de los casos, éstos están constituidos por dispositivos y componentes electrónicos: termistores, celdas fotoconductivas, diodos emisores de luz (LED), fotodiodos, fototransistores, generadores de efecto Hall, distintos tipos de transistores, etc. En la asignatura Electrónica Analógica I, se estudian algunos tipos de dispositivos electrónicos, sus características eléctricas, modelos equivalentes y parámetros. El estudio de las características corriente-tensión de cualquier dispositivo electrónico involucra la necesidad del conocimiento aportado por la física de semiconductores para comprender el funcionamiento de distintos tipos de junturas: metal-metal, metal-semiconductor, semiconductor-semiconductor, dado que se encuentran formando parte de muchos componentes electrónicos como se aprecia en la Figura 1. La asignatura Física III es la que debe aportar los conocimientos necesarios para interpretar, desde el punto de vista físico, cualquier dispositivo electrónico actual o futuro. Visto que, en estos momentos, la organización de los contenidos de Física III no resulta funcional a las necesidades de Electrónica Analógica I, se sugiere realizar una reformulación de los mismos, incluyendo una actualización bibliográfica y selección más acorde con una carrera de ingeniería. Por lo anterior, se detalla a continuación las modificaciones sugeridas nominadas: Anexo I: Programa analítico de Física III (Sugerido) y Anexo II: bibliografía sugerida. En Anexo III se encuentran el programa y la bibliografía actual. Profesores del área electrónica IACI: Ing. Guillermo Casas Ing. Mónica L. González

2 Más de una juntura Una sola 2 Tipos de junturas Semiconductor- Semiconductor Metal- Semiconductor Metal- Aislante- Semiconductor homojunturas Uniones del mismo material heterojunturas Uniones de diferentes materiales Diodo Schottky (Contacto rectificante) Capacitor MIS Diodo rectificador Diodo túnel Diodos Diodo Schottky (Contacto óhmico) Transistor de efecto de campo de puerta aislada MOSFET Diodo Zener Transistores Estructura CMOS Diodo varicap Fotodiodo Diodo emisor de luz Diodos de microondas Transistor bipolar de unión BJT Transistor de efecto de campo de juntura JFET Rectificador Controlado de Silicio SCR Transistor bipolar de puerta aislada IGBT Otros Figura 1

3 3 Anexo I: Programa analítico de Física III (Sugerido) Unidad 1- Fundamentos de física cuántica. Breve descripción de la evolución de la física electrónica: Radiación de cuerpo negro, Efecto fotoeléctrico, Rayos X: Espectros, Efecto Compton, Modelo atómico de Bohr, Dualidad ondapartícula, Difracción de electrones, Principio de incertidumbre. Ecuación de onda de Schroedinger: propiedades. Potencial independiente del tiempo. Mundo clásico vs. mundo cuántico. Unidad 2 Ecuación de onda de Schroedinger: ejemplos. Oscilador armónico simple, pozo de potencial, escalón de potencial, barrera de potencial. Modelo del electrón libre. Principio de exclusión de Pauli. Unidad 3 - Electrones en sólidos: Modelo del electrón libre y modelo del electrón en una red cristalina (Kronig-Penney). Estructura de bandas, masa efectiva y concepto de hueco. Funciones de distribución: Maxwell-Boltzmann y Fermi-Dirac. Bandas de energía en Aisladores, Semiconductores y Metales. Densidad y ocupación de estados. Unidad 4- Semiconductores: intrínsecos y extrínsecos. Tipos de impurezas. Nivel de Fermi. Ley de acción de masas y neutralidad de carga en semiconductores. Fenómenos de transporte: arrastre y difusión. Efecto Hall. Conductividad. Resistividad. Generación y recombinación de portadores. Efectos de la temperatura y radiación lumínica. Aplicaciones: celda fotoconductiva (LDR) y termistor. Ecuación de continuidad. Unidad 5- Tipos y características de junturas: metal-aislante, metal-semiconductor, semiconductor-semiconductor. Juntura PN: equilibrio y fuera de equilibrio: polarización directa y polarización inversa. Ecuación de Schockley del diodo ideal. Efectos de segundo orden. Influencia de la temperatura sobre las características de la unión PN. Aplicaciones: sensor de temperatura semiconductor. Tecnologías de fabricación. Unidad 6- Modelos equivalentes en continua y en alterna de la juntura PN. Capacitancia y admitancia. Aplicaciones elementales: diodo varicap. Ruptura: efectos Zener y avalancha. Tipos de diodos: diodo Zener, diodo Schottky, diodo emisor de luz (LED), fotodiodo, celda solar. Efectos temporales: conmutación.

4 4 Anexo II: Bibliografía sugerida Beiser A., Conceptos de Física Moderna, Mc Graw Hill, 1994, Pierret R., Fundamentos de semiconductores, Addison-Wesley Iberoamericana, 1994, Neudeck G., El diodo PN de unión, Addison-Wesley Iberoamericana, 1993, Singh J., Dispositivos Semiconductores, Mc Graw Hill, 1997, Muller R.,Kamins T., Electrónica de los dispositivos para circuitos integrados, Limusa, 1992, Sze S., Semiconductor devices physics and technology, J. Wiley & Sons, 1985 Sze, Ng, Physics of Semiconductor Devices, 2007 Mishra, Singh, Semiconductor Device Physics and Design, Springer, 2008 Neamen D., Semiconductor Physics & Devices, Basic Principles, Mc Graw Hill, 2003

5 5 Anexo III: Programa analítico de Física III (Actual) UNIDAD 1: Fundamentos de la teoría cuántica - Radiación de cuerpo negro - El efecto fotoeléctrico - Producción de Rayos X: Espectros - Relatividad Especial: Expresiones relativistas de energía y momento - Dispersión de Rayos X: Efecto Compton - El átomo nuclear: Espectros atómicos - Modelo de Bohr del átomo de Hidrógeno - Dualidad onda partícula - La naturaleza ondulatoria de las partículas: Ondas de De Broglie - Difracción de electrones - El principio de incertidumbre - Funciones de onda y la ecuación de Schrödinger - Paquetes de onda UNIDAD 2: Mecánica cuántica - Partícula en una caja - Pozos de potencial - Barreras de potencial y efecto túnel - El oscilador armónico - Ecuación de Schrödinger en tres dimensiones - Principios de la teoría formal de la mecánica cuántica: Postulados. UNIDAD 3: Estructura atómica - El átomo de hidrógeno - Efecto Zeeman - Spin electrónico - Átomos multielectrónicos y el principio de exclusión UNIDAD 4: Moléculas - Enlaces moleculares - Niveles energéticos y espectros moleculares UNIDAD 5: Sólidos - Estructura de los sólidos - Imagen microscópica de la conducción eléctrica: Interpretación clásica - Teoría de bandas de energía de los sólidos - Conductores, aislantes y semiconductores - Modelo de electrones libres. Densidad de estados y Función de distribución de Fermi - Potencial de contacto metal-metal - Modelo cuántico de la conductividad eléctrica

6 6 - Modelo electrónico en estructura periódica: Teorema de Bloch y Modelo de Kronig Penney UNIDAD 6: Semiconductores y Dispositivos con semiconductores - Semiconductores intrínsecos y extrínsecos - Unión p-n: Diodo semiconductor - Mecanismos de ruptura de un diodo: Zener y avalancha - Diodo Zener y Diodo Túnel. - Diodos emisores de luz (LED) - Transistores