UNIVERSIDAD DE MENDOZA – FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA INGENIERÍA EN COMPUTACIÓN ASIGNATURA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS CÓDIGO 3031 CURSO 3er Año ÁREA Tecnologías Básicas ULTIMA REVISIÓN 8/11/2010 MATERIAS CORRELATIVAS: 3023 Tecnología AÑO LECTIVO 2011 Profesor Titular: Dr. Ing. José Luís Puliafito Profesor Asociado: Profesores Adjuntos: Ing. Roberto Klein - Ing. Maria de loa Ángeles Olguín Jefes de trabajos prácticos: Carga Horaria Semanal: 6 Carga Horaria Total: 90 OBJETIVOS GENERALES: Dotar al estudiante de los conocimientos teóricos y prácticos básicos relativos a la física del estado sólido, los cuales le permitirán la interpretación del funcionamiento de los dispositivos electrónicos y sus aplicaciones. PROGRAMA ANALÍTICO: CAPITULO 1: ELEMENTOS DE LA TEORIA CUANTICA DE LA MATERIA TEMA A: Introducción histórica I.A.1- Radiación del cuerpo negro. Solución cuántica de Planck, I.A.2- Efecto fotoeléctrico, solución cuántica de Einstein. 1.A.3.- El átomo de Sommerfeld. Espectro de radiación del Hidrógeno, Modelo atómico de Bohr. l.A.4- Teoría ondulatoria de De Brogile, dualidad corpúsculo-onda. Principio de incertidumbre de Heisemberg. TEMA B: Mecánica Ondulatoria 1.B. 1.-Ecuación de ondas de Schrödringer. Interpretación de la función de ondas, 1.B.2 - Solución de la ecuación de Schrödringer para pozos de potencial finitos. Efecto túnel1 B 3,- Solución del átomo de hidrógeno, números cuánticos, comparación con el modelo de Bohr. Principio de exclusión de Pauli, spin del electrón. CAPITULO 2: MODELO DE BANDAS DE LOS SOLIDOS TEMA A- Características Eléctricas del Estado Sólido 2.A.I.- Ligaduras atómicas. Enlaces covalentes desde el punto de vista de la Mecánica Cuántica. 2.A.2.- Modelo energético del cristal. Teoría de bandas, desdoblamiento de los niveles energéticos. Modelo de bandas de los sólidos. 2.A.3.- Propiedades básicas de los metales, semiconductores y aislantes. 2.A.4- Conducción en los metales según la teoría de bandas. Ley vectorial de Ohm, resistividad, movilidad. 2.A.5. Descripción eléctrica del estado sólido, necesidad de determinar la concentración de portadores. TEMA B: Descripción estadística de la concentración de portadores 2.B. 1.- Conceptos sobre funciones de distribución. Funciones de distribución y de densidad de distribución. 2.B.2.- Comportamiento estadístico de las partículas. Espacio de estado dinámico de las partículas, comparación entre partículas clásicas y cuánticascaso clásico, distribución de Maxwell-Boltzman. 2.B,3.- Caso cuántico, Función de distribución de Fermi- Dirac. Probabilidad de transición. Distribución de probabilidad de ocupación de estados energéticos cuánticos de las funciones de Femi-Dirac. 2.B.4.Propiedades de la función de Fermi-Dirac, nivel de Fermi.. 2.B.5.- Cómputo generalizado de densidad de portadores. Integración aproximada mediante MaxwellBoltzman, condiciones para su aplicación. 2.B.6- Aplicación en los metales, conducción y emisión termiónica CAPITULO 3: CARACTERIZACION DE LOS SEMICONDUCTORES. TEMA A: Caracterización estática de los semiconductores 3-A.I.- Semiconductores intrínsecos, procesos de obtención de monocristales puros, distribución de portadores, características de los huecos y electrones como portadores en el Ge y en el Si. 3.A.2.- Procesos de conducción en los semiconductores, corrimiento y difusión. La constante de difusión, ecuación de Einstein. Generación intrínseca de portadores y recombinación térmica. 3A.3.- Semiconductores extrínsecos. Tipos, impurezas donoras y aceptoras. Niveles energéticos de las impurezas, procesos de obtención de los semiconductores extrínsecos, generación extrínseca. 3.A.4.- Efecto Hall. 3.A.5.- Concentración de portadores, determinación del nivel de Fermi, efectos de la temperatura. 3.A.6.-Conductividad en función de la temperatura. TEMA B: Caracterización dinámica de los semiconductores. 3.B.1.- Comportamiento dinámico, recombinación de portadores, trampas y centros de recombinación. 3.B.2 Inyección de portadores minoritarios, función de recombinación, ecuación de la continuidad. 3.B.3 Ecuación de difusión de los portadores minoritarios inyectados en régimen estacionario y en régimen impulsivo. 3.B.4 Caracterización dinámica: tiempo de vida media de un portador y longitud de difusión. CAPITULO 4: DIODOS DE ESTADO SOLIDO TEMA A: Descripción de la juntura 4.A. 1 - Introducción a los diodos de Estado Sólido, diodos de juntura, método de fabricación. Principios generales de funcionamiento. 4 A 2 -Cálculo de la corriente en el diodo. Solución de la ecuación de difusión para junturas abruptas, determinación de la corriente inversa de saturación. 4.A.3.- Limitaciones: tensión de arranque, resistencia dinámica, variación de la característica directa con la temperatura, tensión inversa, mecanismos de ruptura, efecto Zener y efecto avalancha. 4.A.4.- Efectos reactivos asociados a la juntura- Capacidades de transición y difusión. Respuesta dinámica, respuesta a un escalón. TEMA B: Tipos de diodos y aplicaciones 4.B.1.- Diodos rectificadores de silicio, diodos Zener, diodos PIN de conductividad modulada. 4.B.2- Diodos metal-semiconductor de contacto puntual y de barrera (diodo Schottky). 4.B.3- Diodos Túnel, diodos de retroceso o inversión. 4.B.4-Diodos Varicap. 4.B.5- Aplicaciones con diodos. Circuitos rectificadores. Reguladores con diodos Zener. CAPITULO 5: TRANSISTORES BIIPOLARES TEMA A: Descripción del transistor bipolar 5.A.1.- Estructura básica, tipos de transistores, métodos de fabricación. Funcionamiento: análisis cualitativo. 5.A.2 - Ecuaciones del transistor, modelo equivalente de Ebers y Moll. 5.A.3.- El transistor como elemento circuital, disposiciones del transistor, curvas características. Características de Base común. Características de Emisor común. 5.A.4.-Comparación de las disposiciones en la zona activa, discusión general. 5.A.5.- El transistor como llave, respuesta escalón TEMA B: Polarización 5.B.1.- Técnicas de polarización en la zona activa. Recta de carga dinámica y estática. Estabilización lineal de la polarización. 5.B.2.- Límites operativos de los transistores: limitaciones térmicas, limitaciones de tensión, ruptura en base común y en emisor común, perforación, efecto Early. 5.B.3.- Limitaciones de corriente, ruptura secundaria5.B.4 - limitaciones de frecuencia y de ruido, el transistor Schottky, hojas de datos. TEMA C: El transistor como amplificador 5.C.1- El transistor como elemento circuital lineal. Modelos equivalentes lineales, clasificación. 5.C.2.- Modelo híbrido pi (Modelo de Gacoletto): limitaciones de frecuencia a partir del modelo híbrido pi, frecuencia de transición en emisor común y en base común. 5.C.3.- Modelos de baja frecuencia utilizando la teoría de cuadripolos, modelo de parámetros h. Equivalencia entre modelos. Cómputo de impedancias de entrada y de salida, ganancia de tensión, corriente y potencia. Comparación entre las configuraciones circuitales. 5-C 4 - Diseño de una etapa amplificadora en EC utilizando parámetros h. CAPITULO 6: TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO TEMA A: Descripción del MOSFET y del JFET 6.A.1.- Estructura del FET de compuerta aislada, tipos. Principios de funcionamiento Curvas características, análisis de las regiones. 6.A.2.- Ecuaciones del MOSFET, modelo de primer orden, densidad de cargas en la zona de inversión, diagramas de energía potencial. Cálculo de la corriente en el canal, estrangulamiento- 6.A.3.Determinación de las características de transferencia, zona de resistencia variable, zona de saturación. Efectos de orden superior. 6.A.4- Ecuaciones del JFET, comparación con las del MOSFET. TEMA B-. Polarización 6.B.1. Técnicas de polarización de los FET en la zona activa. Recta de carga.. 6.B.2.Limitaciones de los FET de tensión, zona de ruptura, tensión de perforación de los MOSFET, protecciones incorporadas. 6.B.3 Limitaciones de corriente y potencia, utilización de los FET en alta potencia, introducción al MOS de canal V. 6.B.4.Inestabilidades de funcionamiento: efecto de la temperatura, migración térnica en los MOSFET; 6 B.5 - Limitaciones de frecuencia, capacidades parásitas, el MOS Tetrodo, limitaciones de ruido. 6.B.7 - Comparación de las prestaciones entre los transistores bipolares de juntura y los FET TEMA C: Aplicaciones 6.C. 1.- Los FET como elementos circuitales lineales, modelo circuital equivalente para baja señal. 6.C.2-Cálculo de un amplificador Fuente Común de baja señal utilizando los modelos equivalentes.- 6.C.3 Aplicaciones del FET como resistencia variable, el JFET como llave analógica. CAPITULO 7. DISPOSITIVOS DE MULTIJUNTURA TEMA A: Tiristores 7.A.1.- Descripción del tiristor. Estructura, modelo equivalente de dos transistores, curvas características. 7.A.2- Disparo del tiristor, disparo por compuerta, disparo por dv/dt.. 7.A.3.- Característica de puerta. 7.A.4. - Bloqueo del tinistor, métodos. 7.A. 5. Limitaciones de tensión, de corriente, de potencia, de dv/dt, de di/dt y de frecuencia. 7.A.6 Tipos de tiristores y aplicaciones básicas. TEMA B: Triacs y Diacs 7.B.1.- El triac, estructura, modelo equivalente de dos tiristores. Curvas caracter¡sticas, zonas de operación. 7.B.2- Disparo y bloqueo, Limitaciones, consideraciones especiales para dv/dt.. 7.B.3- Aplicaciones del triac. 7.B.4- El Diac, estructura. Curvas caracteísticas. Aplicaciones como elemento de disparo. Otros dispositivos de disparo. CAPITULO 8.- DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS TEMA A: Dispositivos optoelectrónicos de vacío 8.A.1- Planteo general de las ecuaciones de movimiento de una carga en campos eléctricos y magnéticos. 8.A.2.- Movimiento en un campo electroest tico uniforme, movimiento en campo magnetoestático uniforme. Solución para casos combinados8.A.3.- Reflección y refracción de partículas en campos eléctricos estacionarios. Aplicaciones. 8.A.4- Principios de la óptica electrónica, lentes electroestáticas, lentes magnetoestáticas, 8,A.5- Deflexión de haces mediante campos eléctricos, tubo de rayos catódicos; 8.A.6- Deflexión de haces mediante campos magnéticos. TEMA B: Dispositivos optoelectrónicos de estado sólido y líquido 8.B.1.- Conceptos básicos sobre radiometría y fotometría. 8.B.2.-Fotodectectores. Propiedades y características de los materiales fotodetectores, definiciones principales. sensibilidad espectral, responsividad, repuesta en frecuencia, detectividad y ruido. 8.B.3- Fotoconductividad, fotoresistor, efecto fotoelectromagnético. 8.B.4.-Detección en una juntura PN, fotodiodo, fototransistor, arrays de fotodetectores CCD (Charge Coupled Device). 8.B.5- Efecto fotovoltaico, baterías solares. 8.B.6. Fotoemisores., semiconductores de gap directo AsGa. Diodos emisores de luz (Led), fotoacopladores. Emisión estimulada de radiación, principios físicos, diodo Láser. 8.B.7 Dispositivos, presentadores de cristal líquido (LCD). Formación Práctica Horas Resolución de Problemas Rutinarios: Laboratorio, Trabajo de Campo: Resolución de Problemas Abiertos: Proyecto y Diseño: PROGRAMA DE TRABAJOS PRÁCTICOS: Práctico 1 - Estado sólido Práctico 2: Diodos de estado sólido Práctico 3 : Transistores de juntura Práctico 4: Transistores de efecto de campo 15 Práctico 5: Dispositivos multijuntura ARTICULACIÓN HORIZONTAL Y VERTICAL DE CONTENIDOS: Los contenidos abordados en esta materia se basan en conceptos de las siguientes cátedras: Asignatura Curso Tecnología 2do Los contenidos abordados en esta materia aportan conceptos a las siguientes cátedras: Asignatura Curso Electrónica Analógica I 3ro CONDICIONES PARA REGULARIZAR LA MATERIA y RÉGIMEN DE EVALUACIÓN: 1. Requisitos para la constancia de asignatura cursada: deberá poseer el 80 % de asistencia y Carpeta de Trabajos Prácticos aprobada. 2. Requisitos para la aprobación: Examen final 3. Cronograma de entrega de prácticos: Los prácticos se someten a aprobación de la cátedra en una única entrega al final del semestre BIBLIOGRAFÍA : Bibliografía Principal Autor Título Editorial Año Ed. Disp. Selva, M. Dispositivos Electrónicos Nueva Libreria 2008 3 Albella Martin Agullo-Rueda Martinez-Duart -. Malvino Albert Paul Tremosa, A Fundamentos de Microelectrónica Nanoelectrónica y Fotónica Pearson 2005 Principios De Electrónica Electrónica del estado sólido McGraw-Hill Marymar 1998/94 1980 Millman, Halkias- Electrónica Integrada Hispano Europea S.A. España. 197619811992 2 3 3 4 Bibliografía de Consulta Autor Título Editorial Año Ed. Disp. Kittel, C- Reverté 1995 1 Reverté 1974 1 Reverté 1974 Limusa 1978 Limusa 1978 Marcombo 1980 Lilen , H Introducción a la Física del Estado Sólido Introducción a la física de los semiconductores Serie SEEC Vol 1 Electrónica física y modelo de circuitos de los transistores –serie SEEC Vol. 2 . Ciencias de los materiales -vol. 1 Estructura Ciencias de los materiales- vol. 4 Propiedades electrónicas Circuitos integrados MOS y CMOS Tiristores y Triacs Marcombo 1973 2 Carter-Donker - Optoelectrónica Aplicada 1980 1 Marshall Laser - tecnología y aplicaciones Ed. ParaninfoBib. Téc. Phillips Ed.- Reverté 1972 1 AdlerLougini. Schmith, Gray, De WittBoothroydGibbonsMoffat-PearsallWullfRose, ShepardWulffLilen , H. ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS UTILIZADAS : Dictado de clases teóricas magistrales Resolución de ejercicios teóricos para unidades principales (Trabajos Prácticos de Gabinete) Ejercitación práctica de dispositivos en laboratorio cordinada con la Asignatura LABORATORIO IV (Trabajos Práctico de Laboratorio) RECURSOS DIDÁCTICOS UTILIZADOS : Bibliografía recomendada, instrumentación de laboratorio PROGRAMA DE EXAMEN: BOL. 1: lA, 3B BOL. 2: 1B, 3A BOL. 3: 6C, 4B BOL. 4: 2B, 4A BOL. 5: SA, 7B BOL. 6: 5B, 7A BOL.7: 5C, 8A BOL. 8: 6A, 8B BOL. 9: 6B, 2A