Planificaciones 8203 - Física III Docente responsable: SANTIAGO GUILLERMO DANIEL 1 de 8

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.
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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.
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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.
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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
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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