Guía docente de Nanoelectrónica (26711A1)

Para poder cursar esta asignatura, se recomienda que el alumno haya superado las materias: Electromagnetismo, Física Cuántica, Física Estadística y Física del Estado Sólido. Es recomendable tener conocimientos de programación, en particular, Python o Matlab son especialmente útiles.

Esta asignatura NO guarda relación alguna con " Circuitos Eléctricos: Teoría e instrumentación" impartida en el primer semestre del segundo curso del Grado.

En el caso de utilizar herramientas de IA para el desarrollo de la asignatura, el estudiante debe adoptar un uso ético y responsable de las mismas. Se deben seguir las recomendaciones contenidas en el documento de "Recomendaciones para el uso de la inteligencia artificial en la UGR" publicado en esta ubicación: https://ceprud.ugr.es/formacion-tic/inteligencia-artificial/recomendaciones-ia#contenido0

• Sistemas electrónicos de dimensionalidad reducida: pozos cuánticos, hilos cuánticos y puntos cuánticos.
• Estados electrónicos en nanoestructuras semiconductoras: Densidad de estados en sistemas 0D, 1D, 2D y 3D.
• Transporte de carga en sistemas basados en nanoestructuras semiconductoras.
• Dispositivos electrónicos relevantes basados en nanoestructuras: Transistores moleculares y de hilo cuántico.
• Aplicaciones de los dispositivos basados en nanoestructuras: Memorias semiconductoras (Flash, DRAM, SRAM, RRAM).
• Descripción de las memorias semiconductoras presentes en ordenadores, teléfonos móviles, etc.
• Termoelectricidad en nanoestructuras.

El alumno sabrá / comprenderá:

• Las bases físicas que rigen la electroestática y el transporte de carga en nanodispositivos electrónicos.
• Las escalas y órdenes de magnitud propios de la nanoelectrónica.
• Las diferencias entre transporte balístico y difusivo.
• Las características de los sistemas electrónicos confinados en una, dos o tres dimensiones.
• Los fundamentos físicos que rigen el comportamiento de los diferentes tipos de memorias semiconductoras presentes en portátiles y móviles.
• El procedimiento empleado en el cálculo de la estructura electrónica del grafeno.
• Conceptos básicos de la termoelectricidad.

El alumno será capaz de:

• Comparar datos experimentales con modelos físicos disponibles para revisar su validez y sugerir cambios con objeto de mejorar la concordancia de los modelos con los datos.
• Iniciarse en nuevos campos y materias de la nanoelectrónica a través de su trabajo independiente.
• Realizar las aproximaciones requeridas con objeto de reducir la complejidad del problema hasta un nivel manejable.
• Desarrollar sus propios modelos físicos para la simulación numérica de nanodispositivos electrónicos.

Tema 1. Introduction - Motivation - Basics

1. What is nanoelectronics and why it is important nowadays
2. Motivation for the ubiquitous nanoelectronics
3. State-of-the-art of the semiconductor technology. Future challenges
4. Review of waves, phase and interference, wavefunctions
5. Momentum, energy and the uncertainty principle
6. Schrödinger equation: Particle in a box as a simplification
7. Piecewise potentials and tunneling applied in basic nanostructures

Tema 2. The Quantum Particle

1. Fermi statistics, current, metals and insulators
2. Density of states, periodic boundary conditions
3. Density of states in 0-d to 3-d structures

Tema 3. Two Terminal Quantum Dot Devices

1. Equilibrium in two terminal molecular devices
2. Capacitance models of electrostatics
3. Current flow under bias in two terminal molecular devices
4. Charging

Tema 4. Two Terminal Quantum Wire Devices

1. Current flow in quantum wires, the quantum limit of conductance
2. Landauer theory
3. Ohm's law and the Drude model

Tema 5. Field Effect Transistors

1. Field effect transistors (FETs)
2. Ballistic quantum wire FETs
3. Ballistic quantum well FETs
4. Conventional MOSFETs

Tema 6. The Electronic Structure of Materials Devices

1. Hybrid orbitals, introduction to tight binding
2. Examples of tight binding calculations
3. Periodic materials, Bloch functions
4. Tight binding in periodic materials: Semiconductors, semimetals and insulators
5. Graphene and other 2D materials

Tema 7. Semiconductor memories

1. Flash – Non Volatile Memories
2. Dynamic Random Access Memory (DRAM)
3. Static Random Access Memory (SRAM) (Cache)
4. Resistive RAM (RRAM)

Tema 8. Thermoelectricity

1. Introduction to thermoelectricity
2. Seebeck coefficient
3. Peltier coefficient
4. Thermoelectric coefficients: Power factor and efficiency

• Capacitors. Small signal models of metal-molecule junctions.
• Numerical methods for self-consistent I-V calculations.
• Different numerical tools (software) are required to solve the problems of this subject.

BIBLIOGRAFÍA FUNDAMENTAL:

• Marc Baldo. “Introduction to Nanoelectronics”, https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-701-introduction-to-nanoelectronics-spring-2010/readings/MIT6_701S10_textbook.pdf
• Electronics from the Bottom Up: A New Approach to Nanoelectronic Devices and Materials http://nanohub.org/topics/ElectronicsFromTheBottomUp
• Debdeep Jena. "Quantum Physics of Semiconductor Materials and Devices"; Oxford University Press (Mayo 2022) ISBN: 9780198856856

BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA:

• Supriyo Datta. “Quantum Transport: Atom to Transistor”, Cambridge University Press, 2005.
• Supriyo Datta. “Electronic Transport in Mesoscopic Systems”, Cambridge University Press, 1995.

• http://www.nanohub.org/
• http://www.edx.org/
• https://djena.engineering.cornell.edu/

• MD01. Lección magistral/expositiva 

• Con objeto de evaluar la adquisición de los contenidos y competencias a desarrollar en la materia, se utilizará un sistema de evaluación diversificado, seleccionando las técnicas de evaluación más adecuadas en cada momento, que permita poner de manifiesto los diferentes conocimientos y capacidades adquiridos por el alumnado al cursar la asignatura. De entre las siguientes técnicas evaluativas se utilizarán las siguientes, cuyos porcentajes serán concretados al inicio del curso:

1. - Para la parte teórica se realizarán exámenes finales y parciales, sesiones de evaluación y entregas de ejercicios sobre el desarrollo y los resultados de las actividades propuestas. La ponderación de este bloque será del 70%.
2. - Para la parte práctica se realizarán prácticas de laboratorio, resolución de problemas y desarrollo de proyectos (individuales o en grupo), y se valorarán las entregas de los informes/memorias realizados por los alumnos, o en su caso las entrevistas personales con los alumnos y las sesiones de evaluación realizadas en el mismo laboratorio o en clase. La ponderación de este bloque será del 20%.
3. - Para comprobar el seguimiento de la asignatura por parte del alumnado se realizarán exámenes parciales de tipo test haciendo uso de PRADO. La ponderación de este bloque será del 10% por cada examen parcial que se realice.
4. - La calificación global corresponderá a la puntuación ponderada de los diferentes aspectos y actividades que integran el sistema de evaluación. Así, el resultado de la evaluación será una calificación numérica obtenida mediante la suma ponderada de las calificaciones correspondientes a una parte teórica, una parte práctica y, en su caso, una parte relacionada con el trabajo autónomo de los alumnos, los seminarios impartidos y el aprendizaje basado en proyectos.

• Evaluación por incidencias: Podrán solicitar evaluación por incidencias, los estudiantes que no puedan concurrir a las pruebas finales de evaluación (ordinaria, extraordinaria y única final) o a las programadas en la Guía Docente con fecha oficial, por alguna de las circunstancias recogidas en el artículo 9 de la Normativa de evaluación y de calificación de los estudiantes de la Universidad de Granada, siguiendo el procedimiento indicado en dicha normativa.

• Con objeto de evaluar la adquisición de los contenidos y competencias a desarrollar en la materia, se utilizará un sistema de evaluación diversificado, seleccionando las técnicas de evaluación más adecuadas en cada momento, que permita poner de manifiesto los diferentes conocimientos y capacidades adquiridos por el alumnado al cursar la asignatura. De entre las siguientes técnicas evaluativas se utilizarán las siguientes:

1. - Para la parte teórica se realizarán exámenes finales y parciales, sesiones de evaluación y entregas de ejercicios sobre el desarrollo y los resultados de las actividades propuestas. La ponderación de este bloque será del 80%.
2. - Para la parte práctica se realizarán prácticas de laboratorio, resolución de problemas y desarrollo de proyectos (individuales o en grupo), y se valorarán las entregas de los informes/memorias realizados por los alumnos, o en su caso las entrevistas personales con los alumnos y las sesiones de evaluación realizadas en el mismo laboratorio. La ponderación de este bloque será del 20%.

• El resultado de la evaluación será una calificación numérica obtenida mediante la suma ponderada de las calificaciones correspondientes a la parte teórica y a la parte práctica.

De acuerdo con la Normativa de Evaluación y de Calificación de los Estudiantes de la UGR, se contempla la realización de una evaluación única final a la que podrán acogerse aquellos estudiantes que no puedan cumplir con el método de evaluación continua por algunos de los motivos recogidos en el Artículo 8. Para acogerse a la evaluación única final, el estudiante, en las dos primeras semanas de impartición de la asignatura, en las dos semanas siguientes a su matriculación si ésta se ha producido con posterioridad, o más tarde si hay causa sobrevenida, lo solicitará a través de la sede electrónica, alegando y acreditando las razones que le asisten para no poder seguir el sistema de evaluación continua. En tal caso, se tendrán en cuenta los siguientes apartados:

• El 80% de la calificación final se basará en la valoración obtenida mediante la realización de un examen final en el que se evaluarán los conocimientos y competencias adquiridas, tanto de los contenidos teóricos como de las habilidades para la resolución de problemas. Este examen se realizará de forma escrita e individualizada y coincidirá con la convocatoria ordinaria de la asignatura.
• El 20% de la calificación final se basará en la evaluación de las prácticas mediante un examen.

Alumnos con necesidades específicas de apoyo educativo (NEAE). Siguiendo las recomendaciones de la CRUE y del Secretariado de Inclusión y Diversidad de la UGR, los sistemas de adquisición y de evaluación de competencias recogidos en esta guía docente se aplicarán conforme al principio de diseño para todas las personas, facilitando el aprendizaje y la demostración de conocimientos de acuerdo a las necesidades y la diversidad funcional del alumnado. La metodología docente y la evaluación serán adaptadas al alumnado con NEAE, conforme al Artículo 11 de la normativa de Evaluación y de Calificación de estudiantes de la UGR, publicada en el Boletín Oficial de la UGR nº 112, de 9 de noviembre de 2016. Inclusión y Diversidad de la UGR. En el caso de estudiantes con discapacidad u otras NEAE, el sistema de tutoría deberá adaptarse a sus necesidades, de acuerdo a las recomendaciones de la Unidad de Inclusión de la UGR, procediendo los Departamentos y Centros a establecer las medidas adecuadas para que las tutorías se realicen en lugares accesibles. Asimismo, a petición del profesorado, se podrá solicitar apoyo a la unidad competente de la Universidad cuando se trate de adaptaciones metodológicas especiales.

Se recomienda el desarrollo de programas de cálculo numérico basados en Python, Matlab, Octave (versión software libre de Matlab) u otro lenguaje de programación similar.