¿De qué manera los ingenieros toman en consideración la física cuántica al diseñar dispositivos electrónicos / eléctricos?

Puede, pero generalmente es una pérdida de tiempo a menos que sea absolutamente necesario. En la mayoría de los casos no es necesario todo. La mayoría de los EE durante los últimos 40 años han aprendido mecánica cuántica en algún nivel (a veces bastante profundo), pero afortunadamente no es generalmente necesario para las tareas diarias.

Lo que generalmente sucede es que se realiza una aproximación que permite utilizar modelos más simples. Y estas aproximaciones se eligen con el cuidado suficiente para que se pierda poco o nada al no usar la mecánica cuántica o incluso a veces las ecuaciones de Maxwell. Un caso de esto último es el uso de aproximaciones de modelos agrupados (¿has oído hablar de resistencias, condensadores e inductores? Estas son todas ficciones fantásticas, meras aproximaciones pero muy útiles). De manera similar, el siguiente nivel no es para Maxwell sino para una forma unidimensional con líneas de transmisión, parámetros s y coeficientes de reflexión.

Los semiconductores son de mecánica cuántica, pero resolvemos ecuaciones de diseño para ellos utilizando simplemente aproximaciones algebraicas de modelos agrupados que son mucho más fáciles de usar. Incluso en los casos en que el túnel cuántico es central para la operación (por ejemplo, memoria Flash o MOSFET de geometría mínima), es aún más fácil y suficiente tratar las corrientes involucradas como constantes simples o corrientes de ecuaciones exponenciales en el peor de los casos, como los diodos.

Esto será un desafío una vez (si) nos movemos más completamente hacia la nanoelectrónica porque las sensibilidades de la mecánica cuántica son mucho más graves y con mayor frecuencia tales aproximaciones simplificadoras fallarán. Sin embargo, puede contar con que los ingenieros descubran fórmulas simplificadoras para evitar la mecánica cuántica en sus detalles más completos siempre que sea posible.

Depende del nivel de detalle necesario en el modelo del dispositivo electrónico.

Un diseño de circuito “macro” – para ensamblar en una placa de circuito impreso – QM no será necesario en absoluto. Aunque encontrará ciertas constantes de voltaje que solo se entienden de un modelo más detallado que usa QM.

Si está diseñando un circuito integrado, QM podría entrar en juego. Sin embargo, los métodos de diseño y el software se desarrollan, por lo que rara vez es necesario, para la lógica digital (lo analógico es más difícil). Ahora, los ingenieros que crean las bibliotecas de células para esas herramientas de diseño pueden necesitar usar modelos QM para su trabajo.

Si está diseñando un proceso de fabricación para fabricar dispositivos semiconductores (transistores de efecto de campo, diodos, etc.), entonces QM es esencial y los modelos QM se usan ampliamente. Los dispositivos semiconductores se entienden mediante mecánica cuántica. Considere un diodo simple: conduce la corriente fácilmente en una dirección, pero la bloquea en la dirección opuesta. Esto es contrario a la experiencia cotidiana donde los materiales conducen la electricidad igualmente bien en ambas direcciones. Para entender cómo funciona un diodo de la manera en que lo requiere se requiere QM.

En cierto sentido, entonces, si un dispositivo electrónico usa semiconductores, entonces se usa la mecánica cuántica. Puede leer más detalles de los que probablemente quiera aquí:
http://ecee.colorado.edu/~bart/b

La mayoría no lo hace, considerando que no observamos el mundo físico cuántico. Creo que implicaría pensar si las señales eléctricas tienen que ser muy, muy, muy precisas. Si está postulando como ingeniero, comprendería las funciones de onda si se trata de sistemas eléctricos.

Espero que esto ayude 🙂

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