El curso de física de semiconductores

SEMICONDUCTORES

MANUEL JULIÁN ESCOBAR DÍAZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

BOGOTÁ

2008

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CAPITULO 0. INTRODUCCIÓN Y PRESABERES

El curso de Física de Semiconductores es de carácter teórico y corresponde a un

segmento primordial de los fundamentos en Ciencias Básicas sobre los que se

construye la técnica electrónica. Es un curso a distancia y de dos (2) créditos

académicos. Durante este curso, se tratarán temas fundamentales de la Física y

la Ingeniería relacionadas. A continuación se resumen diversos aspectos.

Se aborda brevemente la enunciación de los métodos y objetivos de la Ingeniería

Electrónica, a fin de establecer el vínculo entre lo temas visto y la carrera

propiamente dicha.

El tratamiento del curso no tendrá formalidad matemática al 100%. Se espera que

el curso sirva sólo como un marco conceptual y operativo respecto a la física

fundamental de los semiconductores y las estrategias de investigación que la

vinculan con la Ingeniería Electrónica.

Será muy útil si el estudiante está previamente familiarizado en alguna medida con

una serie de conceptos provenientes de diversas áreas; algunos de ellos

realmente se espera que sean ya manejados rutinariamente por los estudiantes

(sobre todo los referentes a física), fruto de anteriores cursos. Se listan a

continuación algunos de ellos:

FÍSICA:

Vibración, Onda, Energía, Carga Eléctrica, Potencia, Campos, Campo Eléctrico y

Magnético, Potencial, Semiconductores.

INGENIERÍA:

Electrónica, Dopado, Materiales conductores y no conductores, transistores,

Diseño, Componentes Eléctricos, Leyes de Ohm y Kirchoff, conductividad y

uniones.

Las dos unidades del curso son, explícitamente:

PRIMERA UNIDAD, Fundamentos Teóricos, se remite casi exclusivamente a

postulados, leyes o principios físicos y procedimientos o formulaciones

matemáticas aplicadas a física fundamental; se hace énfasis en que los

capítulos tendrán profundidad y extensión MUY VARIABLE, ya que se

considera que ciertos temas de la Física de Semiconductores, asociados

fuertemente a fenómenos eléctricos, son DE MUCHO MÁYOR INTERÉS

PARA EL INGENIERO ELECTRÓNICO que otros, importantes en Física de

Semiconductores, pero no siempre relevantes en Ing. Electrónica.

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SEGUNDA UNIDAD, Ingeniería y Tecnología de semiconductores, es una

introducción al campo tecnológico de los dispositivos usados en sistemas

electrónicos basados en semiconductores simples y las técnicas empleadas

para su empleo, análisis y diseño (aclarando que el curso no se remite a

configuraciones específicas para determinadas aplicaciones a partir de

componentes semiconductores, sino a un esbozo conceptual

contextualizado). Esto incluye un acercamiento al diseño y la investigación

en semiconductores.

Durante el curso las temáticas serán oportunamente desarrolladas, pero cabe la

posibilidad que desde ya el estudiante intente responder estas preguntas:

¿Qué es “Semiconductor”?

¿Cuál es la diferencia entre semiconductores, conductores y aislantes?

¿Qué principios físicos gobiernan el comportamiento de un semiconductor?

¿Por qué es importante saber Física de Semiconductores en Electrónica?

¿En qué consisten las investigaciones adelantadas en Semiconductores y las

aplicaciones más avanzadas que de esta tecnología se conocen?

¿De qué forma se definen qué estándares eléctricos se requiere que tenga un

semiconductor, y qué principios físicos se relacionan directamente?

¿Qué significa diseñar un Semiconductor?

¿Qué matemática puede usarse en el terreno de la Física de Semiconductores?

Dentro de las actividades planeadas para la aprehensión de conocimientos, se

encuentra la lectura de textos guías, el desarrollo de investigaciones cien por

ciento libres y la revisión de artículos. Se espera que el estudiante se sienta

motivado a realizar algunas experimentaciones basadas en el contenido teórico

del curso.

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PRIMERA UNIDAD DIDÁCTICA

FÍSICA FUNDAMENTAL DE SEMICONDUCTORES

CAPÍTULO 1.1 FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA

1.1.1 Dualidad Onda Partícula

A principios del siglo pasado (1895-1905) diversas revoluciones conceptuales en

física comenzaron a hacer carrera en la física mundial. Particularmente, el artículo

del Efecto Fotoeléctrico de Einstein (1905) fue abriendo la posibilidad para un

desarrollo justificado de la mecánica cuántica.

¿Por qué tan nombrada la Mecánica Cuántica? Porque su revolución conceptual

es tan fuerte que se vuelve una revolución de Paradigmas, y como tal tiene

repercusiones filosóficas inmediatas. Las contribuciones de Bohr, Schrödinger, De

Broglie, Dirac, Pauli y Heisenberg fueron realmente las que construyeron la

mecánica cuántica; aunque Einstein hubiese colaborado en su precursión, el

formalismo de la mecánica cuántica es debido realmente a los anteriores nombres

mencionados.

Particularmente, De Broglie propuso esta interesante hipótesis, que luego se

comprobó y fue convertida en teoría (la siguiente no es una cita textual, ni mucho

menos):

Así como la luz puede verse como una onda electromagnética, pero al

interactuar con la materia la entendemos mejor cuando suponemos que está

compuesta por partículas (llamadas “fotones”, los cuantos de la luz), una

partícula puede ser entendida como una onda: en otras palabras, se puede

asociar una onda a cada partícula, para entender ciertas de sus propiedades.

Y lo anterior es cierto SIEMPRE. Siempre puede asignarse una Ecuación de

Onda a una Partícula, como si no se propagara una trayectoria de esa partícula,

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sino unos FRENTES DE ONDA que corresponde a esa realidad física que

llamamos “partícula”.

Es importante hacer énfasis en que el TODO el universo sigue las leyes de la

mecánica cuántica (y la dualidad onda partícula). El asunto es que los objetos

macroscópicos, debido al orden de magnitud de sus variables físicas (de hecho,

una variable física en particular), no demuestran su carácter ondulatorio

fácilmente. Cabe entonces preguntar, ¿cómo reconocemos el carácter

ondulatorio?

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