8203 - Física III PLANIFICACIONES Planificaciones 8203 - Física III Docente responsable: SANTIAGO GUILLERMO DANIEL 1 de 8 Actualización: 2ºC/2016 8203 - Física III PLANIFICACIONES Actualización: 2ºC/2016 OBJETIVOS Se trata de proveer a los estudiantes de las Ingenierías Electrónica y Eléctrica de una base sólida, que les permita comprender los fundamentos de la física de los dispositivos electrónicos existentes y futuros. Los involucrados con la industria electrónica y eléctrica destinados a las comunicaciones, informática, sistemas de control de procesos, generación de energía convencionales y en desarrollo a partir de fuentes renovables y no renovables, Esta formación les permitirá acceder la electrónica y estadísticas cuánticas, que son el sustento actual de la mayor parte de la micro y nano tecnología, en evolución continua. El contenido de la asignatura trata de evolucionar a la par del desarrollo tecnológico. Se provee a los estudiantes de herramientas para el análisis crítico, la inquisitoria y búsqueda de información tecnológica a medida que esta surja. Esto facilitará su inserción laboral y poder ser partícipes de la eventual labor de investigación, desarrollo y producción tecnológica en el ámbito estatal o privado. CONTENIDOS MÍNIMOS - PROGRAMA SINTÉTICO El contenido de esta materia se concentra en la física de los dispositivos electrónicos utilizando las herramientas de la mecánica cuántica y la mecánica estadística. La Física Cuántica estudia los fenómenos físicos que describen el comportamiento de partículas a escala atómica. Las evidencias experimentales han demostrado que la radiación en forma de ondas tiene un correlato simétrico con el comportamiento de las partículas. El efecto fotoeléctrico y la difracción de partículas dan pie a la Dualidad Onda-Partícula, reflejada en forma sintética por las relaciones de De Broglie y la Planck-Einstein. Éstas dan origen a la hipótesis básica de la Mecánica Cuántica, la ecuación de Schrödinger. Su solución explica la estructura atómica, molecular y la del sólido. A través de ella también puede explicarse la existencia de bandas permitidas de energía separadas por otras prohibidas. Esta es la base para comprender aislantes, metales y semiconductores. Estos son los materiales componentes de todos los dispositivos electrónicos. Los semiconductores son las estrellas ya sea en estado de alta pureza o de contaminación controlada (dopaje) para construir uniones de materiales con diferente dopaje y ancho de banda prohibida o diferente. La mecánica estadística permite establecer las herramientas para contabilizar la concentración de portadores de carga, los electrones y la falta de carga negativa, denominada hueco. Las combinaciones de diferentes semiconductores y de estos con metales y aislantes originan una distribución de carga heterogénea en condiciones de equilibrio, y campos eléctricos y tensiones. Aquí es fundamental el conocimiento de la estructura de bandas de energía permitidas, las de valencia y las de conducción, las últimas dos pobladas por portadores de carga con contribución a la conductividad eléctrica. Estas bandas pueden modificarse con campos externos (condición fuera del equilibrio), ejerciendo un efecto de control de densidad de corriente-tensión aplicada en cada juntura. Dispositivos como los diodos o las estructuras metal-óxido-semiconductor son la base para construir los transistores bipolares y transistores de efecto de campo. PROGRAMA ANALÍTICO 1. Introducción a la mecánica cuántica. Repaso de conceptos y métodos de la física clásica. Experiencias incompatibles con la descripción clásica: difracción de electrones, discretización de la luz y efecto fotoeléctrico. 2. Dualidad onda-partícula. Concepto del fotón como cuanto de energía. Ecuación de Broglie. El principio de incertidumbre. 3. Ecuación de Schrödinger. Reformulación de la dinámica. Imposibilidad de definir la trayectoria. La evolución temporal de la función de onda. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo. Las soluciones estacionarias. La densidad de probabilidad espacial. La cuantificación de la energía. La familia de soluciones. Operadores y valores medios de observables. Evolución temporal de los valores medios. Densidad de corriente de partículas. 4. Electrones en sólidos cristalinos. Formación de bandas de energía permitidas y prohibidas. Cálculo de las bandas en 1-D de Kronig-Penney. Bandas permitidas y zonas de Brillouin. Bandas valencia y de conducción. Tipos de sólidos: metales, aislantes y semiconductores. Conceptos de masa efectiva, de hueco y momentum del cristal. 5. Sistemas de varias partículas. Funciones de onda simétrica y antisimétrica. El principio de Exclusión de Pauli. Estadística de Fermi Dirac. La Energía de Fermi. Densidad de estados de energía. 6. Semiconductores intrínsecos. Aproximación de Boltzmann para el cálculo de la densidad de portadores. Dependencia con la temperatura. Termistores. Semiconductores extrínsecos. Impurezas donoras y aceptoras (semiconductores tipo n y p, respectivamente). Cálculo de concentraciones de huecos y electrones en equilibrio.. Movilidad y conductividad eléctrica. Diodo Gunn: efectos de campos intensos. 7. Semiconductores fuera del equilibrio. Fotoconductividad: resistencia dependiente de la luz (LDR). Juntura PN: diodo. Formación de la zona vaciamiento. Densidad de corriente en polarización directa e inversa. 2 de 8 8203 - Física III PLANIFICACIONES Actualización: 2ºC/2016 Capacidad de juntura y capacidad de difusión. Diodo Zener: efecto avalancha y efecto túnel. Diodo Impatt: generador de microondas. 8. Juntura metal-Semiconductor. Contactos óhmicos y rectificantes. Diodo Schottky. 9. Efecto transistor. Transistor bipolar. Ganancia de corriente. Transistor de efecto de campo. Semiconductores con ancho de banda prohibido no uniforme. BIBLIOGRAFÍA Alonso - Finn, "Fundamentos Cuánticos y Estadística Cuántica" Eisberg- Resnick, "Física Cuántica". Mc. Kelvey - "Fisica del estado sólido y los semiconductores". Muller y Kamins- "Dispositivos Electrónicos para Circuitos Integrados" Sullivan. “Quantum Mechanics for Electrical Engineers” RÉGIMEN DE CURSADA Metodología de enseñanza Clases teórico-prácticas. Modalidad de Evaluación Parcial Un primer parcial que evalúa las unidades de 1 a 6. Trabajos prácticos de laboratorio. Un segundo parcial optativo de las unidades restantes. 3 de 8 8203 - Física III PLANIFICACIONES Actualización: 2ºC/2016 CALENDARIO DE CLASES Semana Temas de teoría Resolución de problemas Laboratorio <1> 15/08 al 20/08 Introducción a la mecánica cuántica. Repaso de conceptos y métodos de la física clásica. Experiencias incompatibles con la descripción clásica: difracción de electrones, discretización de la luz y efecto fotoeléctrico. <2> 22/08 al 27/08 Dualidad ondapartícula. Concepto del fotón como cuanto de energía. Ecuación de Broglie. El principio de incertidumbre. <3> 29/08 al 03/09 Ecuación de Schrödinger. Reformulación de la dinámica. Imposibilidad de definir la trayectoria. La evolución temporal de la función de onda. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo. Las soluciones estacionarias. Solución de la ecuación de Schrödinger para una partícula y su interacción para distintos potenciales. <4> 05/09 al 10/09 La densidad de probabilidad espacial. La cuantificación de la energía. La familia de soluciones. Operadores y valores medios de observables. Evolución temporal de los valores Solución de la ecuación de Schrödinger para una partícula y su interacción para distintos potenciales. Práctica demostrativa de difracción de electrones. Explicación TP simulación de la evaluación temporal y espacial de un electrón interactuando con un potencial. 4 de 8 Otro tipo Fecha entrega Informe TP Bibliografía básica 8203 - Física III Semana PLANIFICACIONES Temas de teoría Resolución de problemas Laboratorio medios. Densidad de corriente de partículas. <5> 12/09 al 17/09 Electrones en sólidos cristalinos. Formación de bandas de energía permitidas y prohibidas. Cálculo de las bandas en 1-D de KronigPenney. Bandas permitidas y zonas de Brillouin. <6> 19/09 al 24/09 Bandas valencia y de conducción. Tipos de sólidos: metales, aislantes y semiconducto res. Conceptos de masa efectiva, de hueco y momentum del cristal. <7> 26/09 al 01/10 Sistemas de varias partículas. Funciones de onda simétrica y antisimétrica. El principio de Exclusión de Pauli. Estadística de Fermi Dirac. La Energía de Fermi. Densidad de estados de energía. <8> 03/10 al 08/10 Semiconducto res intrínsecos. Aproximación de Boltzmann para el cálculo de la densidad de portadores. Dependencia con la temperatura. Termistores. Explicación TP de termistores 5 de 8 Actualización: 2ºC/2016 Otro tipo Fecha entrega Informe TP Bibliografía básica 8203 - Física III PLANIFICACIONES Semana Temas de teoría Resolución de problemas <9> 10/10 al 15/10 Semiconducto res extrínsecos. Impurezas donoras y aceptoras (semiconduct ores tipo n y p, respectivame nte). Cálculo de concentracion es de huecos y electrones en equilibrio.. Movilidad y conductividad eléctrica. Diodo Gunn: efectos de campos intensos. Repaso para primer parcial. <10> 17/10 al 22/10 Semiconduct ores fuera del equilibrio. Fotoconductiv idad: resistencia dependiente de la luz (LDR). Primer Parcial <11> 24/10 al 29/10 Juntura PN: diodo. Formación de la zona vaciamiento. Densidad de corriente en polarización directa e inversa. Capacidad de juntura y capacidad de difusión. <12> 31/10 al 05/11 Diodo Zener: efecto avalancha y efecto túnel. Diodo Impatt: generador de microondas. Recuperación primer parcial <13> 07/11 al 12/11 Juntura metalSemiconducto r. Contactos óhmicos y rectificantes. Diodo Schottky. <14> 14/11 al 19/11 Efecto transistor. Transistor bipolar. Ganancia de corriente. Segunda recuperación del primer parcial <15> 21/11 al 26/11 Transistor de efecto de campo. transistores JFET y MOSFET. <16> 28/11 al 03/12 Semiconducto res con ancho de banda Segundo parcial optativo Laboratorio Explicación TP de fotoconductividad 6 de 8 Actualización: 2ºC/2016 Otro tipo Fecha entrega Informe TP Bibliografía básica 8203 - Física III Semana PLANIFICACIONES Temas de teoría Resolución de problemas Laboratorio prohibido no uniforme. 7 de 8 Actualización: 2ºC/2016 Otro tipo Fecha entrega Informe TP Bibliografía básica 8203 - Física III PLANIFICACIONES Actualización: 2ºC/2016 CALENDARIO DE EVALUACIONES Evaluación Parcial Oportunidad Semana Fecha Hora 1º 10 20/10 17:00 2º 12 03/11 17:00 3º 14 17/11 17:00 4º 16 23/06 17:00 Observaciones sobre el Temario de la Evaluación Parcial 8 de 8 Aula