Guía docente de Electrónica Física (2671144)

Se recomienda tener cursadas las asignaturas Electromagnetismo, Física Estadística, Física Cuántica y Física del Estado Sólido.

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

En esta asignatura se explicarán los principios básicos de los semiconductores y dispositivos electrónicos.

El alumno sabrá/comprenderá:

• El concepto de hueco en un semiconductor y su utilización para evaluar el transporte de carga.
• Cómo obtener las concentraciones de huecos y electrones en un semiconductor y su concentración intrínseca.
• El uso de impurezas en los semiconductores para determinar su tipo y comportamiento.
• El cálculo y determinación de la densidad de huecos y electrones en un semiconductor extrínseco.
• El concepto de neutralidad eléctrica aplicado a semiconductores.
• La movilidad de los electrones y huecos y su dependencia de la temperatura, de las concentraciones de impurezas y de los campos eléctricos.
• La física de los mecanismos de generación y recombinación de portadores en semiconductores, el concepto de bajo nivel de inyección y el de pseudo-nivel de Fermi para electrones y huecos, así como su uso para la determinación de concentraciones de portadores estáticas y transitorias.
• Las ecuaciones de Difusión-Deriva (o Arrastre) y las de continuidad en semiconductores. Su resolución en algunos casos simples.
• El funcionamiento de la unión P-N en equilibrio y bajo polarización: Constitución real y modelos prácticos. Los modelos sencillos para resolución analítica. El campo y el potencial eléctrico “auto-constituido” (Built-in). El concepto de Zona de Carga Espacial. Las relaciones de equilibrio entre las corrientes de difusión y de arrastre. La corriente inversa de saturación y su dependencia con la temperatura. El concepto de polarización en directo y en inverso. Ecuación y forma de la curva I-V característica de una unión P-N. Una aplicación simple de la unión P-N como diodo: la rectificación de señales alternas. La unión P-N como parte integrante de fotodiodos, células solares y ledes.
• Las nociones básicas de las heteroestructuras (unión metal-semiconductor y estructura MOS) y gases de huecos y electrones bidimensionales (2D).
• El principio de funcionamiento de un transistor (BJT y MOSFET)

• Tema 1. Revisión de los resultados de la teoría de bandas en los sólidos. Características de las bandas de los semiconductores. Corriente de los electrones en una banda. Modelo semiclásico. Modelo de la masa efectiva. Matriz de la masa efectiva. Concepto de hueco.

• Tema 2. Concentración de electrones y huecos en los semiconductores. Semiconductores intrínsecos. Densidad de estados. Función de ocupación. Concentración intrínseca ni. Dopado de los semiconductores: impurezas aceptadoras y donantes. Factores de ocupación de los niveles de energía creados por las impurezas. Ecuación de neutralidad eléctrica.

• Tema 3. Generación y recombinación de portadores: Conceptos básicos. Tiempo de vida media de los portadores. Tipos de recombinación: banda a banda, banda a centro (Recombinación SRH) y Auger: Modelos elementales y expresión de la vida media de los portadores. Pseudo-niveles de Fermi.

• Tema 4. Transporte de carga en los semiconductores: Ecuación de transporte de Boltzmann. Movilidad de los portadores. Dependencia con la temperatura y con la concentración de impurezas. Efectos de campos eléctricos altos. Procesos de difusión en semiconductores. Corrientes de difusión y deriva: Consecuencias en equilibrio termodinámico. Ecuaciones de continuidad.

• Tema 5. La unión P-N: Esquema de fabricación de una unión P-N real. Esquema teórico. La unión P-N en equilibrio termodinámico: Descripción cualitativa. Modelo de la unión abrupta e hipótesis de vaciamiento: Cálculo del campo y potencial eléctrico en la estructura. Heterouniones y heteroestructuras: Gases 2D. La unión P-N en régimen estático: Descripción cualitativa. Hipótesis de baja inyección. Curva I-V. Zona de deplexión: Capacidad de transición. Aplicaciones de la unión pn: rectificación de una señal alterna, célula solar y led.

• Tema 6. Principios del funcionamiento de los transistores (BJT y MOSFET): Física de las heteroestructuras (estructura metal-semiconductor y metal-aislante-semiconductor).

• Prácticas de simulación de estructuras con semiconductores utilizando la plataforma Nanohub.

• “Semiconductor Physical Electronics”, Sheng S. Li, 2nd ed., Springer, 2006.

• “The Physics of Semiconductors”, Marius Grundmann, 4th ed., Springer, 2021

• Quantum Physics of Semiconductor Materials and Devices” D. Jena. 1st Ed. Oxford 2022

• “Física del Estado Sólido y de los semiconductores”. J. P. Mckelvey. Ed. Limusa, 1976.

• “Solid State Electronic Devices”, 6th Edition. B. G. Streetman, S. K Banerjee Pearson Prentice Hall, 2006. USA. (ISBN: 0-13-149726-X)

• “Semiconductor Devices: Physics and Technology”. 2nd Edition. S. M. Sze. John Wiley and Sons, 2002. (ISBN: 0-471-33372-7)

• “Fundamentals of Solid State Electronics”. C. T. Sah World Scientific, 1993 (ISBN: 9810206380)

• “Fundamentals of Semiconductor Theory and Device Physics”. S. Wang. Prentice Hall, 1989. (ISBN: 0-13-344409-0)

• “Photonic Devices”. J. M. Liu. Cambridge University Press, 2005. (ISBN: 978-0-521-55195-3)

• “Fundamentals of Photonics” B. E. A. Saleh, M. C. Teich. 2nd. Edition. John Wiley and Sons, Inc., 2007. (ISBN: 978-0-471-35832-9). Capítulos 16, 17 y 18)

• D. Jena, "Quantum Physics of Semiconductor Materials and Devices", Oxford University Press (2022) (ISBN : 9780198856849 (hbk); ISBN : 9780198856856 (pbk))

  La bibliografía básica de las asignaturas “Física Estadística” y “Física del Estado Sólido”.

Plataforma nanohub:

• https://nanohub.org/

Algunos vídeos realizados por miembros del Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadores sobre distintos aspectos de la física de los semiconductores y dispositivos electrónicos relacionados con el temario de la asignatura:

• Densidad de Estados: http://www.youtube.com/watch?v=cqUCYramcFA
• Unión P-N: http://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4
• MOSFET: http://www.youtube.com/watch?v=9JKj-wlEPMY

• MD01. Lección magistral/expositiva 

Para la evaluación de esta asignatura se realizarán dos tipos de pruebas:

• Práctica de simulación: 30% de la calificación final.

• Examen final. Este examen tendrá un peso del 70% sobre la calificación final, sumando, así, 100% entre las dos pruebas de evaluación.

Para hacer la media ponderada a la que se refieren los apartados anteriores habrá que obtener al menos un 5 sobre 10 en cada prueba. En caso de que no se alcancen estas calificaciones, la nota final será un 40% de la nota más alta de las dos anteriores.

La superación de la asignatura requiere una nota final igual o superior a 5 sobre 10.

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.

La evaluación extraordinaria consistirá en un examen escrito y la realización de una práctica con ordenador:

• Un examen basado en conocimientos teóricos y problemas, abarcando los resultados del aprendizaje, que supondrá un 70% de la nota final.
• Una práctica de simulación y redacción de memoria con resultados, abarcando los resultados del aprendizaje, que supondrá un 30% de la nota final.

Para aprobar la asignatura, se deberá obtener una puntuación mínima de 5 sobre 10 en cada parte.

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.

La evaluación única final consistirá en un examen escrito y la realización de una práctica con ordenador:

• Un examen basado en conocimientos teóricos y problemas, abarcando los resultados del aprendizaje, que supondrá un 70% de la nota final.
• Una práctica de simulación y redacción de memoria con resultados, abarcando los resultados del aprendizaje, que supondrá un 30% de la nota final.

Para aprobar la asignatura, se deberá obtener una puntuación mínima de 5 sobre 10 en cada parte.

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.

Información de interés para estudiantado con discapacidad y/o Necesidades Específicas de Apoyo Educativo (NEAE): Gestión de servicios y apoyos (https://ve.ugr.es/servicios/atencion-social/estudiantes-con-discapacidad).