DISPOSITIVOS ELECTRONICOS Y FOTONICOS II Plan de la asignatura
p1 Codi: 11625 Crèdits: 6 (Teoria: 3, Aplicacio: 1,5, Laboratori: 1,5) Professors: Ramon Alcubilla (alcubilla@eel.upc.es) Angel Rodriguez (arm@eel.upc.es) Pau Molinàs (pmolinas@eel.upc.es) Kim Puigdollers (jpuigd@eel.upc.es) Presentación Conocimientos previos Los conocimientos previos que se requieren para cursar esta asignatura son fundamentalmente los que se explican en la asignatura Dispositivos Electrónicos y Fotónicos I:!" Estructura, modelos y tipos de semiconductores.!" Diagramas de Bandas, Nivel de Fermi, Concentración de portadores en Equilibrio.!" Procesos de generación y recombinación, Transporte de portadores.!" Carga espacial en semiconductores. Ecuaciones de continuidad.!" Diodo de unión PN en equilibrio.!" Diodo de unión PN polarizado.!" Transistor bipolar. Si el estudiante cree que necesita repasar o ampliar alguno de estos puntos puede utilizar los textos recomendados en la asignatura de Dispositivos Electrónicos y Fotónicos I, que podrá encontrar en el mercado y/o en la biblioteca RGF. De cara a realizar un repaso general de asignatura se recomiendan los siguientes:!" Apuntes de DEF1, CPET.!" Neudeck, G.W. Pierret, R.F. Modular series on solid estate devices, 2ª Ed. Addison Wesley, 198890, Volúmenes 1 al 4. Objetivos generales Una vez el alumno está introducido a los dispositivos semiconductores Dispositivos Electrónicos y Fotónicos II le presenta conceptos y dispositivos que se aplican en la actualidad a los sistemas informáticos y de comunicación. En esta asignatura se les explica a los alumnos el funcionamiento de diferentes dispositivos y cómo los diferentes parámetros físicos afectan a su comportamiento. Cuales son las limitaciones más importantes de estos dispositivos y los orígenes físicos de las mismas.
p2 En DEFI se explicaron los transistores bipolares y diferentes dispositivos ópticos fundamentales dejando para esta segunda parte de la asignatura los transistores FET y MOS y el concepto de Heterounión, que ha dado lugar a importantes mejoras en los dispositivos en los últimos años. Las heterouniones se introducen como una tecnología necesaria para fabricar LED s Y Láseres modernos, y se explican las ventajas de aplicarlas a transistores bipolares, complementando así el temario de DEFI referente a los BJT. Por último se explican algunos de los dispositivos de potencia más importantes. La asignatura está dividida en 3 partes: Transistores de efecto de campo, Dispositivos optoelectrónicos y Dispositivos de potencia. Una primera lista de objetivos concretos de la asignatura sería:!" Comprender el funcionamiento básico de los diferentes dispositivos que se explican.!" Conocer las limitaciones fundamentales de estos dispositivos.!" Ser capaces de estimar los parámetros fundamentales de sus modelos eléctricos. Temario 1. Transistores de efecto de campo 1.1. JFET y MESFET. 1.1.1. Estructura e introducción a su funcionamiento. 1.1.2. Regiones de funcionamiento. Análisis de la corriente del dispositivo.. 1.1.3. Modelo eléctrico: transconductancia y capacidades. 1.1.4. Comportamiento frecuencial 1.1.5. Dispositivos relacionados. 1.2. El transistor MOS. 1.2.1. Estructura física, introducción cualitativa a su funcionamiento. 1.2.2. Tipos de transistor MOS. Símbolos. 1.2.3. El condensador MOS. Cálculo de la tensión umbral. 1.2.4. Cálculo de la corriente y características eléctricas de los transistores MOS. 1.2.5. Modelos eléctricos. 2. LED s y Láseres. 2.1. Heterouniones. 2.1.1. Conceptos básicos. 2.1.2. Diodos de heterounión: Distribución de portadores y cálculo de corrientes. 2.1.3. HBT s 2.2. LED s. 2.2.1. Introducción: emisión de luz en semiconductores, aplicaciones de los LED. 2.2.2. Anchura de los espectros de emisión 2.2.3. Recombinaciones radiativas y no radiativas 2.2.4. Estructura básica de un LED. 2.2.5. Factores adicionales a considerar en el diseño de la estructura 2.2.6. Cálculo simplificado de la potencia óptica emitida. 2.3. Láseres. 2.3.1. Introducción. Emisión estimulada. 2.3.2. Conceptos y expresiones básicas. 2.3.3. Análisis de la cavidad resonante. 2.3.4. Distribución espectral
p3 2.3.5. Estructura de un LASER semiconductor 2.3.6. Aspectos adicionales 3. Dispositivos de potencia 3.1. Introducción. Clasificación. 3.2. Diodos de potencia. 3.2.1. Problemática relacionada con la ruptura 3.2.2. Unión P/N abrupta (plana) 3.2.3. Aspectos de segundo orden referentes a las tensiones de ruptura. 3.2.4. Conducción enn directa (estado ON).. 3.2.5 Modulación de conductividad. 3.3 Tiristores 3.2.1. Modo de bloqueo inverso. 3.2.2. Modo de bloqueo directo. 3.2.3. Modo de conducción en directa. 3.4 Transistores MOS de potencia. Objectivos específicos de los modulos!"módulo 1. Transistores de efecto de campo Este módulo consta de dos partes íntimamente relacionadas entre si: en la primera se introducen los transitores de efecto de campo (JFET y MESFET). mientras que la segunda parte se dedica a los transistores MOS. Se estudian las diferencias estructurales que existen entre ambos y como estas afectan a las diferencias de funcionamiento de ambos tipos de transistores. Una lista de objetivos de la primera parte sería:!" Repaso de conceptos básicos de semiconductores: estructura de bandas, semiconductores dopados, mecanismos de conducción. La unión pn. Zonas neutras y zonas de carga de espacio en semiconductores.!" Estructura y funcionamiento de JFET y MESFET.!" Estimación de la corriente de los dispositivos en relación a las tensiones de polarización. Concepto y estimación de la transconductancia.!" Límites frecuenciales: origen de las capacidades de la estructura, estimación de las mismas y estimación de la frecuencia de transición. El objetivo de la segunda parte es fundamentalmente rehacer lo desarrollado anteriormente a los transistores MOS, de funcionamiento ligeramente más complejo, debido fundamentalmente al diferente mecanismo de control de puerta.!" Introducir el transistor MOS: estructura y conceptos básicos de su funcionamiento.!" Tipos de transistor MOS y símbolos eléctricos que los representan.!" Estudio de la capacidad MOS (responsable de la aparición y regulación del canal conductor de los MOS): Diagramas de bandas en función de la tensión de puerta. Conceptos de acumulación, vaciamiento e inversión)!" Desarrollar el concepto de tensión umbral y cálculo de la misma en función de los parámetros físicos.
p4!" Cálculo de la corriente del MOS en régimen estático. Modos de funcionamiento. Transconductancia.!" Origen de las capacidades del transistor MOS. Estimación de su valor y respuesta frecuencial de los transistores.!" Transistores MOS modernos: efectos de canal corto.!"módulo 2. Diodos LED s y Láseres semiconductores En este módulo se describen los dispositivos semiconductores emisores de luz de mayor relevancia práctica: LED s y Láseres, ambos generalmente fabricados con semiconductores de gap directo y usando heterouniones. Los materiales marcarán características importantes del funcionamiento de estos diodos. Estos materiales serán generalmente compuestos de elementos IIIV de la tabla periódica, nuevos para el alumno. El módulo comienza con el estudio de Heterouniones. Los objetivos de este apartado son:!" Concepto de Heterounión: Hetrerouniones mono y politipo.!" Ser capaz de predecir los diagramas de bandas de estructuras de heterounión en equilibrio.!" Ser capaz de calcular la distribución de portadores, diagramas de bandas y la corriente de diodos PN de heterounión, polarizados. Una vez el alumno se ha familiarizado con los nuevos materiales, con el concepto de heterounión y con las ventajas que aportan se describen los diodos LED, de los que se pretende que el alumno!" Conozca las aplicaciones tecnológicas más importantes y los requerimientos de los LED para cada una de ellas.!" Comprenda los mecanismos básicos de emisión de luz en semiconductores y las ventajas principales de la electroluminiscencia de inyección.!" Aprenda la estructura básica de un LED y sus principios de funcionamiento, así como la estructura de un LED comercial.!" El origen físico de las características principales de radiación óptica de los LED: Longitud de onda, anchura del espectro de emisión, estimación de la potencia óptica de un Led y los factores que intervienen en la misma..!" Comprenda qué factores limitan la máxima frecuencia de modulación de un Led. La última parte del módulo se dedica a los diodos Láser de semiconductor. Se aprovechan conocimientos alcanzados sobre los LED s, desarrollándose la teoría que explica en qué condiciones se produce la amplificación de la luz y la estructura y funcionamiento de un LASER práctico. En este apartado se esperan conseguir los siguientes objetivos:!" Conocer las condiciones que debe cumplir una región de un material para que en ella se produzca amplificación de luz.!" Estructura de un Láser.!" Cuales son los efectos principales que produce la cavidad resonante.!" Distribución frecuencial del espectro óptico de salida
p5!" Curvas corrientetensión de un diodo láser.!"módulo 3. Dispositivos de potencia En este módulo se recoge la problemática básica asociada los dispositivos que deben permitir el paso de niveles elevados de corriente, con caídas de tensión bajas, en un estado y el bloqueo de tensiones elevadas en el otro. Algunas de las estructuras son nuevas para el alumno. Otras tienen un funcionamiento similar a dispositivos ya estudiados por el alumno, aunque se aprovechan fenómenos nuevos para mejorar las características. El objetivo es presentar al alumno estos nuevos fenómenos y estructuras de forma que comprenda el funcionamiento de las mismas y comprenda sus limitaciones. En concreto:!" El alumno aprenderá el abanico de dispositivos de potencia más importantes en la actualidad y en qué rangos unos son mas adecuados que otros.!" Conocerá el tipo de respuesta corrientetensión de cada uno de estos dispositivos y los mecanismos que producen su paso a conducción y a corte.!" Conocerá el concepto de modulación de la conductividad y cómo se diseñan algunos dispositivos para aprovecharla.!" Estimación de los parámetros más importantes del funcionamiento de los dispositivos explicados.
p6 Sesiones presenciales Las prácticas de laboratorio son comunes para todos los alumnos de la asignatura y suponen una dedicación total para el alumno de 28 horas. Se articulan en forma de 7 sesiones presenciales en el laboratorio (14 horas) y 14 horas más no presenciales dedicadas a la lectura de enunciados, la confección de los estudios previos, la preparación de los diseños y la confección de los informes. La descripción detallada de todo lo referente a les prácticas se encuentra en los guiones correspondientes en elcampus Digital. El programa es, en trazos generales, el siguiente:!" Práctica I: Introducción al CAD digital de simulación unidimensional de dispositivos electrónicos PC1D: aplicación al estudio del diodo de unión PN (2 sesiones, 4h)!" Práctica II: Estudio i optimitzación de diferentes parámetros de células solares a través de simulaciones con PC1D (2 sesiones, 4h)!" Práctica III: Estudio del condensador MOS (1 sesión. 2h)!" Práctica IV: Estudio del BJT (2 sesiones, 4h)!" Práctica V: Caracterización física de dispositivos MOSFET y LED's Ultraluminosos y montaje de un circuito electrónico de iluminación con LED (Se hará en paralelo con las practicas 3 i 4) Aparte del examen final, común a todos los alumnos, no se harán sesiones presenciales relacionadas únicamente con la parte teórica de la asignatura. Si es necesario, se aprovecharán parte de las sesiones de laboratorio. Materiales Bibliografía básica Dispositivos Electrónicos i Fotónicos 2, texto específico elaborado por los profesores de la asignatura. Incluye la mayor parte del temario, ejemplos, ejercicios, cuestionarios de autoevaluación y problemas guiados. (Disponible en formato electrónico Manual de prácticas de DEF2, texto específico elaborado por los profesores de la asignatura. Contiene la descripción del contenido de las prácticas y del material, hardware i software, que allí se utiliza. (Disponible en formato electrónico) Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee, Solid state electronic devices (5ª Edición). Prentice Hall, 2000. John Wilson and John Hawkes. Optoelectronics, an introduction (3ª Edición) Prentice Hall,1998. Colección de problemas de DEFII Colección de problemas resueltos de DEFII
p7 Evaluación Mecanismo por defecto!" Nota final = Ponderación con 75% nota de teoría, 25%nota de laboratorio.!" Nota de teoría: Máximo de entre las dos opciones siguientes:!" La nota del examen final. Ponderación con un 66% correspondiente al examen final i un 33% correspondiente al control que se realizara a mitad del cuatrimestre.
p8 Tiempo de dedicación Módulo 1 Contenido: Transistores de efecto de campo Horas: 28 Semanas: 4 Módulo 2 Contenido: LED s y Láseres Horas: 32 Semanas: 6 Módulo 3 Contenido: Dispositivos de potencia Horas: 24 Semanas: 4 Dedicación total Horas: 84 Semanas: 1314 Importancia i dificultad de los módulos Los tres módulos son independientes y se refierren a dispositivos distintos, no es por tanto razonable adjudicar una importancia mayor a uno que a otro. La dificultad media de la asignatura es alta. Calendario de actividades de seguimiento Este calendario se ha confeccionado sobre una duración de curso estándar de 14 semanas. Se ha añadido también una estimación de calendario para las prácticas, aún cuando éste último puede sufrir variaciones en función de las fiestas entre semana incluidas en cada curso. Parar detalles y fechas concretas es preciso dirijirse al documento Calendario de la asignatura. Fecha Teoría Evaluación teoría Prácticas Semana 1 1.1.1 1.1.2 Semana 2 1.1.31.1.4 Semana 3 1.2.11.2.3 Semana 4 1.2.41.2.5 Práctica 1
p9 Semana 5 2.1 2.2 2.3 Control módulo 1 Semana 6 2.2.12.2.4 2.2.5 Semana 7 2.2.6 2.2.7 Semana 8 2.2.82.2.11 Semana 9 2.3.12.3.3 Semana 10 2.3.42.3.6 Semana 11 3.1 Semana 12 3.2 Control módulo 2 Semana 13 3.23.3 Semana 14 3.33.4 Fijada por la Escuela Examen Final Práctica 2 Prácticas 3 y 5a Prácticas 4 y 5b