半导体器件教学方法的探讨

靳 宏 王 莉 陈 虹

扬州大学 江苏扬州 225009

半导体器件教学方法的探讨

靳 宏 王 莉 陈 虹

扬州大学 江苏扬州 225009

模拟电子电路的核心元件是半导体器件，因此对半导体器件原理及特性的掌握至关重要。学生入门便是接触半导体器件知识，通常感觉生僻难懂、学习吃力，对以后器件的应用更是无法得心应手。主要介绍笔者对这部分内容的教学心得，在教学过程中结合各种教学方法，让学生便于理解与识记。

模拟电子电路；半导体器件；晶体管；二极管

大学工科教育的目的不是单纯的传授知识，而是一要注重学生能力和素质的培养，二要帮助学生学会学习，为了适应这种要求，必须在教学方法和教学手段上进行相应的改革。模拟电子技术基础是工科电类专业的一门非常重要的专业基础课，研究的对象是半导体器件及由半导体器件构成的各种模拟基本功能电路。在模拟电子技术基础中要解决的根本问题就是半导体器件的导电特性，但是教材中涉及的半导体器件种类繁多，学生普遍反映这部分知识难以理解和掌握，而更重要的是它们是组成电子电路的基本元件，如果没有掌握它们就无法正确分析基本功能电路，并且会使学生丧失对这门课的学习兴趣。笔者在这部分内容讲解中综合运用各种教学方法、手段，激发了学生的学习兴趣和创造性，培养了良好的思维方式和学习方法，达到了不错的教学效果。

1 教学思路脉络清晰

首先将教学内容脉络理清，这样尤如一串精美酸甜的“冰糖葫芦”，既有“观赏性”，又有“可食性”。教学中，采取“理大关系、求小联系、定准位置、构建框架”的教学法。

我们使用的教材是清华大学电子学教研组编写的《模拟电子技术基础》(第四版)，它是普通高等教育“十五”国家级规划教材，也是首届国家级精品课程—清华大学电子技术基础课程的教学实践总结。该教材第一章便是常用半导体器件，我们采用以下教学思路：先介绍学生高中就熟悉的本征半导体知识，然后引出杂质半导体的概念，在此基础上重点介绍PN结的原理及特性；半导体二极管的引出要自然一些，就是用外壳将PN结封装后加上电极引线就构成了二极管；晶体管的引出比较生动，是将两个PN结背靠背粘连起来。二极管与晶体管的导电原理以PN结导电原理为基础，二极管与晶体管的特性曲线可在PN结特性曲线基础上变化得到。如此以来，学生对本部分内容的理解不再是孤立的PN结、二极管、晶体管等陌生而又晦涩的概念，而是由熟知的本征半导体一步一步推导到模拟电路的半导体器件，所有知识及内容串接起来，由简单到繁多，容易接受与掌握。

2 创新教育融入教学方法

课堂教学中的“创新教育”大致有以下3项内容：培养学生的创新意识；训练学生的创新思维；开发学生的创新能力。“启发式”和“讨论式”教学更能体现出学习者的积极参与，对于培养创新能力，训练创新思维是非常重要的，但也对教师提出了更高的要求。在教学中我们对所讲授的内容，进行精心设计，怎样提出问题，如何引导学生去思考、去分析，对于可能出现的错误答案如何去辨析，引导学生大胆去思考，鼓励学生发表不同见解，进行讨论和争辩，这样，不仅训练了学生的思维，激发了学生学习的积极性和主动性，同时对于培养学生的创新能力也起到了很好的促进作用。

PN结的形成及半导体内部载流子运动是学生最难理解的部分，这些内容的讲解笔者采用“提问式”“启发式”和“讨论式”相结合的教学方法，先让学生去思考、去分析，然后发表不同见解，进行讨论。例如PN结的形成，首先询问学生当P型半导体和N型半导体结合在一起会发生什么情况，并在学生思考中给予提示和不断提出新问题，引导学生得到正确的结论。对于晶体管的电流放大原理内容的讲解更是要精心设计，首先表明它的构成是有2个PN结背靠背粘连起来，但是单纯的把两个二极管背靠背地连在一起是没有放大作用的，要想使它具有放大作用，必须满足如下条件：(1)发射区掺杂浓度大。(2)基区必须很薄、掺杂浓度小。(3)基电结的面积应很大。(4)工作时：发射结应正向偏置，集电结应反向偏置。晶体管的工作原理分析要结合以上的4个条件以及PN结正向偏置和反向偏置的导电原理，采用“提问式”“启发式”和“讨论式”相结合的教学方法，得出各部分电流大小及关系，例如发射结正偏加速多子扩散产生以下电流：发射区多子电子不断向基区扩散，形成电流，由条件(1)知道此电流比较大；基区多子空穴向发射区的扩散可形成电流，由条件(2)知道此电流很小。

3 类比与对比使记忆深刻

在教学中如果能恰到好处地类比以前的旧知识作为引言，易使学生既复习了旧知识，又了解了知识的内在联系，从而易于将新知识接纳到已有的认知结构中。在教学中采用对比讲解知识，学生对知识的记忆会更加深刻。半导体器件一章涉及的新概念很多，学生在理解上存在一定的困难，在教学中我们采用对比、类比等方法让学生从已知或熟悉的知识迁移到新知识，笔者以3个教学实例来阐述如何在教学实践中运用类比和对比的教学策略。

3.1 空穴导电原理

对于空穴的导电原理历来是学生难以理解的问题，这部分内容的讲解要结合学生熟知的自由电子导电过程。空穴导电原理与自由电子导电原理不同，却离不开自由电子：首先，原子因为失去电子而带正电，形象化说是空穴带正电，在电场力的作用下，一部分电子定向移动产生电子电流，另一部分电子按一定方向依次填补空穴，这样相当于空穴的移动，而空穴的移动相当于正电荷的移动，因此形成空穴电流。

3.2 PN结导电特性

PN结正向偏置和反向偏置的导电原理也可以对比讲解和记忆，例如：PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极，反向接法恰恰相反；PN结正向偏置是多数载流子形成扩散电流，方向是从P区指向N区，反向偏置是少数载流子形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反；PN结正向偏置时等效电阻阻值很小，反向偏置时呈现的电阻阻值很高。

3.3 晶体管特性曲线

晶体管的输入特性曲线描述的是在管压降μCE一定条件下，基极电流iB与发射结电压μBE之间的关系，因为发射结正向偏置，所以它与PN结的正向特性曲线相似，由于三极管的2个PN结相互影响，因此，输出电压μCE对输入特性有影响如图1中(a)所示。

晶体管的输出特性曲线描述的是在基极电流IB一定条件下，集电极电流iC与管压降μCE之间的关系，不同的基极电流IB对应于不同曲线，如图1中(b)所示，因为集电结反向偏置，所以每一条曲线与PN结的反向特性曲线形状相似。

图1 晶体管管输入输出特性曲线

4 重点难点条理化

教学中，采取“吃透内容、分化内容、破解内容”三步法，以及“寻找切入点、分层剥笋、各个击破”的方式，引导学生找出破解重点、难点的“点金术”，使其化难为易，把学习的“苦恼”变成一种享受。半导体器件中各个器件的特性曲线是重点掌握内容，特性曲线的形状可以如前所述类比记忆，在具体电路的使用中则要化整为零，分类记忆。例如根据半导体二极管的伏安特性曲线，笔者通常给学生总结如下：

(1)总体特性：正向导通反向截止。

(2)当0

(3)当u>Uon时，二极管导通，导通后电压变化范围小。

(4)当0>u≥UBR(UBR称为反向击穿电压)时，二极管截止。

(5)当u

(6)温度增加时，正向曲线左移、反向曲线下移。

5 结束语

对于模拟电子技术基础这门课，“管”(半导体器件)是“路”(电子线路)的基石，“路”是该课程研究的核心内容，因此明确要求学生过好“器件关”，要求做到“会分析、会选择、会应用”典型半导体器件(二极管、晶体管等)，关键是要掌握这些器件的特性曲线,通过分析特性曲线往往有利于掌握器件的模型、参数和工作原理等。教学过程是一个复杂的过程，如何将大量的知识在有限的课堂教学过程中讲清楚明白，需要教师在教学实践活动中积极研究和探索，找到符合本课程教学规律和特点的教学方法与教学手段，综合利用课堂讲授、讨论、专题讲座等方法，特别强调“启发式、参与式、渗透式”教学，激发学生的学习兴趣和创造性，培养良好的动手能力，另外充分利用多媒体等现代教育技术进行生动的教学，制作课程的电子教案和课件，达到占用学时少，又能使学生很好地掌握知识的教学效果。

[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2006

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[4]康华光.电子技术基础模拟部分(第四版)[M].北京：高等教育出版社，1999

[5]谢嘉奎，金宝琴，谢洪曛.电子线路(线性部分)(第三版)[M].北京：高等教育出版社，1995

Abstract: Semiconductor device is the essential part of analog electronic circuits, so it is important to learn the principle and characteristics of them. Semiconductor device is also the first content to students, who usually feel it complex and difficult to learn, and have much trouble with the subsequent application of it. This paper introduces the teaching experiences of the authors, which adopt kinds of teaching method in the teaching process, and facilitate students’ understanding and remember of this knowledge.

Key words: analogical electronic circuit; semiconductor device; transistor; diode

Discussion on teaching methods of semiconductor device

Jin Hong, Wang Li, Chen Hong
Yangzhou university, Yangzhou, 225009, China

2010-09-21

靳宏，硕士，讲师。王莉，硕士，讲师。陈虹，本科，教授。