Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

Curso Primero

1. Identificación de la asignatura

2. Contextualización

La asignatura Dispositivos Electrónicos y Fotónicos es la primera asignatura de contenido electrónico en la titulación. Pertenece al módulo de formación básica y a la materia denominada "Fundamentos de la Tecnología Electrónica", impartiéndose en el segundo semestre del primer curso. Tiene la misión de presentar a los alumnos por primera vez las células básicas de la realización física de cualquier sistema de comunicaciones: los dispositivos electrónicos.

El camino a seguir en esta presentación va de la física a la ingeniería. Se comienza por describir fenómenos físicos, se aprovechan estos fenómenos físicos para construir pequeños ingenios (dispositivos), se explica el funcionamiento físico de los mismos (a nivel de portadores de cargas eléctricas e iones de red cristalina), se cuantifican los fenómenos eléctricos que en ellos se producen cuando se conectan formando parte de un circuito y finalmente se resume el comportamiento de los mismos en un modelo del tipo “caja negra”. Este modelo “caja negra” se estudia a dos niveles: uno más elaborado y, por tanto, más cercano al comportamiento real y otro idealizado. Este último es el que servirá esencialmente  para la resolución de los cálculos de los circuitos eléctricos en los que estos dispositivos se encuentren presentes.

La trayectoria temática y el enfoque que tiene la asignatura está intrínsecamente ligado al avance de los alumnos en el conocimiento de dos materias que son de suma importancia para la correcta asimilación de los contenidos de la asignatura Dispositivos Electrónicos y Fotónicos: las asignaturas "Ondas y Electromagnetismo" y "Teoría de Circuitos". Ambas son cuatrimestrales y coinciden en el tiempo con Dispositivos Electrónicos y Fotónicos, por lo que es necesario sincronizar adecuadamente la adquisición, por parte de los alumnos, de los conceptos de estas tres asignaturas.

3. Requisitos

Conocimientos previos recomendados:

- Física: Conceptos básicos de electricidad (electroestática y electrodinámica): carga eléctrica, campo eléctrico, potencial eléctrico, densidad de corriente eléctrica, corriente eléctrica y Ley de Ohm.

- Matemáticas: Integración de ecuaciones diferenciales de variables separadas.

Conocimientos simultáneos recomendados:

- Física: Relaciones matemáticas entre cargas, campos y potenciales. En caso de no poder coincidir con el programa de Física, el problema generado es de tipo menor, ya que son conceptos que pueden adelantarse en esta asignatura.

- Matemáticas: Integración de ecuaciones diferenciales lineales.

- Teoría de Circuitos: Es muy importante que los alumnos simultaneen el avance de conocimientos de ambas asignaturas. A lo largo de la asignatura tendrán que usar:

• Las Leyes de Kirchhoff.
• Teoremas de Thévenin, Norton y Millman.
• El análisis de circuitos de corriente continua.
• Análisis de transitorios en circuitos de primer orden con excitación de corriente continua.

4. Competencias y resultados de aprendizaje

COMPETENCIAS ASIGNADAS

Específicas (partes de la competencia específica CB4):

• Conocer el principio físico de los semiconductores.
• Capacidad para analizar dispositivos electrónicos.
• Capacidad para analizar y diseñar circuitos electrónicos sencillos.

Genéricas:

• Capacidad de análisis y síntesis (parte de la competencia general CG3).
• Resolución de problemas (parte de la competencia general CG4).
• Conocimientos para la realización de mediciones, cálculos y valoraciones (parte de la competencia general CG5).
• Capacidad de comunicar, tanto por escrito como de forma oral, conocimientos, procedimientos, resultados e ideas relacionadas con la electrónica (parte de la competencia general CG9).

RESULTADOS DE APRENDIZAJE

• RA-5.6. Analizar y cuantificar los fenómenos de conducción en materiales semiconductores y en uniones entre semiconductores de distinto tipo y entre semiconductores y metales (competencias CB.4, CG.3, CG.4).
• RA-5.7. Analizar el funcionamiento de circuitos sencillos con diodos semiconductores (idealizados y reales) y calcular los valores de sus variables eléctricas (competencias CB.4, CG.3, CG.4).
• RA-5.8. Relacionar los distintos tipos de diodos semiconductores con sus aplicaciones (competencias CB.4, CG.3, CG.4).
• RA-5.9. Analizar y cuantificar los fenómenos de conducción en transistores bipolares y de efecto de campo y establecer comparación entre sus propiedades (competencias CB.4, CG.3, CG.4, CG.9).
• RA-5.10. Calcular las variables eléctricas en circuitos sencillos con transistores bipolares y de efecto de campo (tanto idealizados como reales), describiendo los estados de conducción en los transistores (competencias CB.4, CG.3, CG.4).
• RA-5.11. Analizar el funcionamiento eléctrico de las puertas lógicas y establecer comparación entre las propiedades de las distintas familias lógicas (CB.4, CG.3, CG.4, CG.9).
• RA-5.12. Analizar y cuantificar los fenómenos de conducción y de generación de energía eléctrica en materiales semiconductores y en uniones de materiales semiconductores cuando existe incidencia de radiación luminosa (competencias CB.4, CG.3, CG.4, CG.5, CG.9).
• RA-5.13. Analizar los fenómenos por los cuales un material semiconductor puede llegar a generar radiación luminosa (competencias CB.4, CG.3, CG.4, CG.9).

OBJETIVOS

- Conocer el principio físico de los semiconductores, siendo capaz de analizar y valorar las principales diferencias con los materiales conductores y aislantes, así como determinar las condiciones de equilibrio ante distintas situaciones y cuantificar los valores de equilibrio y la evolución desde un desequilibrio a un nuevo estado de equilibrio.

- Identificar, describir, clasificar y seleccionar los diferentes dispositivos electrónicos, caracterizarlos en función de distintos parámetros de diseño y valorar (cuantificar) cómo se modifican estas características en función de determinadas condiciones externas.

- Comprender los fenómenos de interacción entre radiación luminosa y conducción eléctrica en semiconductores y conocer los dispositivos capaces de detectar luz, generar energía eléctrica desde la luz y emitir radiación luminosa.

- Utilizar los dispositivos electrónicos y fotónicos en circuitos sencillos, siendo capaces de analizar circuitos en los que intervienen estos dispositivos así como diseñar circuitos que se comporten de acuerdo con una especificación.

- Resolver problemas sencillos en los que intervengan dispositivos electrónicos y fotónicos.

5. Contenidos

BLOQUE TEMÁTICO 1: Teoría de semiconductores y uniones PN

- Teoría básica de los materiales semiconductores. Materiales y tipos de semiconductores. Diagramas de bandas y fenómenos de conducción. Concentraciones en equilibrio. Cuantificación de la corriente eléctrica en semiconductores (corrientes de campo y difusión). Desequilibrios de concentración de portadores y ecuación de continuidad.

- Teoría básica de las uniones PN. Concentración de portadores, campos eléctricos y tensiones en uniones PN sin polarizar y polarizadas. Cálculo de la ecuación tensión-corriente de una unión y límites de validez de la misma. Curva característica. Diagramas de bandas de una unión PN y efecto túnel.

BLOQUE TEMÁTICO 2: Diodos y dispositivos optoelectrónicos

- Diodos semiconductores. Diodos PN y modelos de los mismos. Análisis de circuitos elementales con diodos. Otros diodos: diodos varicap, diodos Zener y diodos PIN. Análisis de circuitos elementales con diodos Zener. Uniones metal-semiconductor y diodos Schottky. Fabricación de diodos.

- Dispositivos optoelectrónicos. Ecuación tensión-corriente de una unión en presencia de luz. Fotodiodos y células fotovoltaicas. Semiconductores directos e indirectos.  Diodos emisores de luz (LEDs) y sus aplicaciones. 

BLOQUE TEMÁTICO 3:  Transistores y circuitos básicos de aplicación

- Transistores bipolares. Uniones asimétricamente dopadas y uniones cortas. Principio físico del transistor bipolar. Ecuación general de un transistor y modelo de Ebers-Moll. Zonas de trabajo de un transistor. Ganancia de corriente en zona activa. Curvas características en base común y en emisor común. Fototransistores y optoacopladores. Fabricación de transistores bipolares.

- Transistores de efecto de campo.  Principio de funcionamiento y curvas características de los transistores de efecto de campo de unión (JFETs). Transistores MESFETs.  Principio de funcionamiento y curvas características de los transistores de efecto de campo de metal-óxido semiconductor (MOSFETs), tanto de acumulación como de deplexión. Fabricación de transistores de efecto de campo.

- Circuitos de polarización de transistores. Objetivos de los circuitos de polarización. Polarización de transistores bipolares. Polarización de JFETs. Polarización de MOSFETs.

- Familias lógicas. Familias lógicas de tecnología bipolar (TTL). Familias lógicas de tecnología MOS (CMOS).

Presentaciones con los contenidos teóricos detallados de la asignatura se pueden encontrar en la siguiente dirección: 

http://www.unioviedo.es/sebas/D_Electronicos_Fotonicos.htm

6. Metodología y plan de trabajo

Los contenidos de la asignatura se han dividido en tres bloques temáticos. En cada uno de ellos hay unas horas de explicación de contenidos teóricos y de resolución de problemas. Para ayudar al seguimiento de la asignatura, se realizarán dos examenes parciales relacionados con los dos primeros bloques temáticos, el primero de los cuales cubrirá la materia del primer bloque temático y parte del segundo bloque temático y el segundo examen cubrirá la parte restante del segundo bloque temático.

7. Evaluación del aprendizaje de los estudiantes

Criterios generales de evaluación del aprendizaje de los estudiantes

- El conocimiento de los principios físicos de funcionamiento de los dispositivos semiconductores.

- La capacidad de análisis de circuitos con dispositivos semiconductores.

- La destreza en el manejo del instrumental del laboratorio.

Instrumentos y procedimientos de evaluación

La evaluación de los conocimientos adquiridos por los estudiantes se realizará de acuerdo al siguiente procedimiento:

a) Convocatoria ordinaria:
Durante el curso se hará un seguimiento de actividades de prácticas y de teoría. Estas actividades se evaluarán del siguiente modo:

a1) Control de prácticas de laboratorio (20% de la calificación final):
  • En la última sesión de prácticas del curso se realizará un examen práctico que evaluará el grado de destreza adquirido por los alumnos en el manejo de la instrumentación básica de un laboratorio de electrónica. 
  • Esta calificación se conservará solamente para las convocatorias del curso académico.

a2) Parte teórica  (80% de la calificación final).
A efectos de calificación, la asignatura estará dividida en 4 bloques de examen (no confundir con los bloques temáticos):
  • Bloque de examen 1: Comportamiento de los  materiales semiconductores y de las uniones entre materiales semiconductores.
  • Bloque de examen 2: Comportamiento de los diodos y de los dispositivos fotónicos de una unión.
  • Bloque de examen 3: Transistores, circuitos de polarización y familias lógicas.
  • Bloque de examen 4: Resolución de circuitos con elementos lineales, diodos y transistores.
En la convocatoria ordinaria, la parte teórica de la asignatura puede superarse de la siguiente forma:
  • Durante el curso académico se realizarán exámenes parciales correspondientes a los bloques de examen 1 y 2.
  • En la fecha de examen fijada para la convocatoria ordinaria, se evaluarán los bloques de examen 3 y 4. Adicionalmente, en ese examen, el alumno tendrá la posibilidad de mejorar la calificación obtenida en los exámenes parciales de los bloques de examen 1 y 2. Se considerará cada ejercicio de forma independiente.
  • Los pesos de cada uno de los bloques en la calificación final son los siguientes:
   - Bloque de examen 1: 15% de la calificación final.
   - Bloque de examen 2: 15% de la calificación final.
   - Bloque de examen 3: 15% de la calificación final.
   - Bloque de examen 4: 35% de la calificación final.
  • La nota obtenida en la parte teórica sólo será válida para la convocatoria ordinaria.

• Además de los exámenes programados de los  bloques de examen 1, 2 y 3, los contenidos de estos bloques podrán ser evaluados en cortas pruebas no programadas y realizadas en el horario reglado de clases. Las calificaciones obtenidas de esta forma servirán para mejorar las calificaciones obtenidas en los exámenes programados de los bloques de examen 1, 2 y 3.

b) Convocatorias extraordinarias:
La evaluación se realizará del siguiente modo:

b1) Control de prácticas de laboratorio (20% de la calificación final):
  • Se considerará la calificación obtenida por el alumno en la parte práctica en la convocatoria ordinaria.

b2) Parte teórica  (80% de la calificación final).
  • En la fecha de examen fijada para la convocatoria, se evaluarán los bloques de examen 1, 2, 3 y 4. Los pesos de las calificaciones serán los mismos que en la convocatoria ordinaria. 
  • La calificación obtenida en la parte teórica sólo será válida para la convocatoria en la que se ha obtenido. 

c) Evaluación diferenciada:
La superación de la asignatura por los alumnos que soliciten evaluación diferenciada se basará en las calificaciones obtenidas tanto en la parte práctica como en la teórica de la asignatura, de acuerdo a la siguiente ponderación:
 
c1) Parte práctica (20% de la calificación final)
  • Se realizará un examen práctico.

c2) Parte teórica  (80% de la calificación final).
  • Se evaluará de la misma forma que en las convocatorias extraordinarias.

8. Recursos, bibliografía y documentación complementaria

[1] Título:Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica.
Autor:J. M. Abella Martín, J. M. Martínez Duarte y F. Agulló Rueda.
Editorial:Pearson Prentice Hall. ISBN:84-205-4651-8.

[2] Título:Semiconductor Devices Explained.
Autor:T. Mouthaan.
Editorial:John Wiley and Sons. ISBN:0-47-198854-5.

[3] Título:Modular series on solid state devices. Volume I: Semiconductor fundamentals.
Autor:Robert F. Pierret.
Editorial:Addison-Wesley Publishing Company.
ISBN:0-201-12295-2.

[4] Título:Modular series on solid state devices. Volume II: The PN junction diode.
Autor:Gerold W. Neudeck.
Editorial:Addison-Wesley Publishing Company.
ISBN:0-201-12296-0.

[5] Título:Modular series on solid state devices. Volume III: The bipolar junction transistor.
Autor:Gerold W. Neudeck.
Editorial:Addison-Wesley Publishing Company. ISBN:0-201-12297-9.

[6] Título:Modular series on solid state devices. Volume IV: Field effect devices.
Autor:Robert F. Pierret.
Editorial:Addison-Wesley Publishing Company.
ISBN:0-201-12298-7.

[7] Título:Solid state electronic devices.
Autores:Ben G. Streetmam y Sanjay Banerjee.
Editorial:Prentice Hall.
ISBN:0-13-025538-6.

[8] Título:Semiconductor devices.
Autores:S. M. Sze
Editorial:John Wiley and Sons. ISBN:0-47-133372-7.

[9] Título:Introduction to semiconductor materials and devices.
Autor:M. S. Tyagi.
Editorial:John Wiley and Sons. ISBN:0-47-160560-3.

[10] Título:Dispositivos semiconductores.
Autos:Jasprit Singh.
Editorial:McGraw-Hill. ISBN:9-70-101024-8.

[11] Título:Physics of semiconductor devices.
Autores:S. M. Sze
Editorial:John Wiley and Sons. ISBN:0-47-105661-8.