半导体物理课程中数字逻辑电路实验的教学研究

李慧婷

摘 要

本文针对半导体物理课程中实验教学改革问题，提出了基于数字逻辑电路设计的实验教学改革方案。通过利用Quartus Ⅱ可编程逻辑器件设计软件中的模块图设计方法（Block Diagram）来设计组合逻辑电路，使得学生在实验过程中进一步掌握二进制算法、数据延迟、数据跳变等现象。从而激发学生的半导体物理课程的学习积极性，综合提高半导体器件的作用机理、制造工艺等基本知识能力和半导体集成芯片设计能力。

关键词

半导体物理;半导体器件;数字逻辑电路;Quartus Ⅱ

中图分类号： G451.2                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.030

0 前言

半导体物理课程是介绍半导体材料的晶体结构、表面结构和性质、半导体与金属界面的性质、半导体器件的作用机理和制造工艺等。由于讲授内容比较零散，实验设备比较昂贵等原因，面向本科生难以开展基础实验教学。本论文通过引入基于Quartus Ⅱ软件的模块图设计方法，提出数字组合逻辑电路的实验教学方案。通过使用不同数量的逻辑门电路、串联和并联结构的组合逻辑电路设计等，综合分析组合逻辑电路的耗电量、延迟时间、数据跳变、干扰等现象，并结合半导体材料的理论知识，进一步探索半导体材料的基本特性和二进制逻辑算法在人工智能环境下面临的科学问题。

1 半导体物理课程分

用半导体材料来实现的集成芯片是智能手机、电视、汽车等电子设备中必不可少的核心零部件。在日常生活中我们经常使用以上电子设备，同时大学课堂上也学过半导体相关的理论知识，因此大学生对半导体材料具有一定的专业基础知识[1]。但是要具体学习集成芯片设计内容，需要提前学习数字电路与逻辑设计、数字信号处理、FPGA设计等基础课程。从物理学专业层面，难以给学生设置以上基础课程，并在半导体物理课程中重点讲授半导体材料的基本特性和应用概况。

半导体材料的基本特性可以从量子力学和凝聚态物理等领域进行分析[2-3]。从量子力学角度，分析半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布及运动规律，分析半导体材料中的电荷输运现象和光、热、磁、压阻等各种物理现象。但是难以实现量子实验，难以利用现用的半导体芯片的基本设计原理和量子力学的理论分析相结合。从凝聚态物理角度，分析凝聚态物质结构间的相互作用和粒子的运动规律、动力学过程以及它们与物理性质之间的联系等半导体表面物性。虽然可以利用扫描隧道显微镜（STM）等实验设备来对半导体材料表面特性进行实验验证，但难以实现面向本科生的验证性、设计性实验。

在讲授半导体物理课程内容过程中，引用大量的原理图和集成芯片图形来讲授半导体材料的基础内容和应用前景。但课程设置中难以设置实验教学内容，因此存在理论内容和实际应用脱离的现象。

2 基于Quartus Ⅱ软件的数字逻辑电路实验课程设计

数字逻辑电路实验可以利用74LS系列常用芯片来实现的验证性实验和基于Quartus Ⅱ软件的设计性综合实验来完成[4-5]。长期以来，数字逻辑电路实验是基于数字电路与逻辑设计课程的基础上开设的实验教学内容，数字电路与逻辑设计课程的理论教学学时设置为48-64学时，实验教学学时设置为8-16学时。主要利用基于数字电路实验箱和74LS系列芯片来设计组合逻辑电路并进行验证性实验。基于Quartus Ⅱ软件的组合逻辑电路设计性综合实验是初步掌握Quartus Ⅱ软件的操作流程之后设计基本的组合逻辑电路，通过选择不同类型的半导体集成芯片，可以综合分析半导体集成芯片的占用面积、运算时间、延迟时间、数据跳变、噪音等实验现象。从而客观说明半导体物理课程中的半导体材料组合原理、电导能力、电荷运输等物理现象。

Quartus II 软件是Altera公司开发的系统级芯片设计（System on a chip）综合开发系统，仿真结果中直接体现逻辑门电路的使用数量、耗电量和延迟时间等。Quartus II 软件不仅支持VHDL和VerilogHDL等专用语言，可以利用与或非等逻辑门电路来直观设计组合逻辑电路。由于半导体物理课程的教学学时有限，難以给学生讲授VerilogHDL等专用语言，因此可以利用Quartus II软件内涵的原理图模块（Block Diagram）设计功能来开设半导体芯片的部分数字电路实验课程。通过数字逻辑电路的设计和仿真过程，可以容易实现基于系统级芯片设计概念的系统化、模块化、流程化、可视化的实验目的。

基于Quartus Ⅱ软件的组合逻辑电路实验教学内容设置方面，任课老师可以提前利用PPT来准备好基于Quartus II软件的模块图设计方法来设计组合逻辑电路结构的每一项设计步骤（如，半加器），并提供给学生上机实验时参考使用。本文提出该实验课程的验证性实验学时为2学时，设计性实验学时为6学时，共8学时。

学生通过第一次验证性上机实验（2学时），使得学生基本了解Quartus Ⅱ软件的基本操作流程，理解半加器的组合逻辑电路基本原理，掌握逻辑门电路使用数量方法，掌握计算输出数据的延迟时间方法，理解功能仿真和时序仿真的功能区别。由于不同方法的组合逻辑电路的设计，输出结果是同样的波形，但是逻辑运算流程和运算量是不同的，因此要完成同样功能的逻辑电路组合，采用不同方法来设计的组合逻辑电路系统的耗电量、延迟时间等参数是不同的。在第二次设计性实验过程中（2学时），采用不同逻辑电路组合来实现半加器的逻辑电路，分析逻辑门电路的使用数量、耗电量和延迟时间等，并与第一次实验结果和相对比较，综合分析半导体芯片的延迟特性、逻辑门电路数量和耗电量的相关关系等。在第三次设计性实验过程中（2学时），引入脉冲信号功能的组合逻辑电路系统（如，计数器），使得学生掌握基于脉冲信号上升沿（下降沿）触发的同步化系统设计概念，了解通过调换不同脉冲周期过程中产生不同的输出信号延迟时间现象。在第四次设计性实验过程中（2学时），引入使能和清零功能的组合逻辑电路系统（如，计数器）。大部分学生认为，集成芯片系统在休闲状态下输出信号为零，但是有必要理解当集成芯片系统中没有提供电源时输出信号仍然是零，因此在开发集成芯片系统的时候一般初始信号设置为高电平（如，使能信号）。通过本次实验，使得学生了解集成芯片系统在接收使能信号有效时（初始信号为高电平，系统开始运行的使能信号为低电平）开始运行和停止功能。了解在清零信号变化过程中输出信号具有连续的变化或清零的现象。基本了解每一个组合逻辑电路系统运算过程中，输出信号的延迟时间是来自于最长逻辑电路支路上产生的，同时输出信号中每一个周期的延迟时间都是一样长度的延迟时间。通过以上8学时的实验过程，使得学生进一步了解半导体物理课程中所学到的半导体材料的导电能力、电导率、迁移率概念及相互关系、半导体材料的应用等。

除了以上教学内容和教学要求之外，学生需要理解的内容主要包括：①针对某一个组合逻辑电路系统，数学表达式、真值表、组合逻辑电路、波形图是相互一一对应的。②通过利用布尔化简、卡诺图等方式简化组合逻辑电路结构。通过减小逻辑门电路数量，可以减小占用芯片的面积，加快集成芯片中运算速度，减小耗电量和输出信号的延迟时间。③FPGA芯片开发过程中“下载”的过程不是能量传递的过程，而是基于电脑来设计的组合逻辑电路结构和集成芯片中一模一样搭建电路的过程。④正确理解脉冲宽度和电控系统频率之间是倒数的相关关系。⑤半导体材料中所提到的PN结合原理来搭建CMOS电路结构。⑥数字电路与逻辑设计课程中学到的与门、或门、非门、异或、同或等逻辑电路都是由NMOS和PMOS等CMOS电路来实现的。⑦正确理解常用芯片、可编程逻辑器件（FPGA）、定制芯片的优点和缺点。

3 结束语

半导体物理学是研究半导体中原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程，是固体物理学的一个重要分支。半导体物理课程的教学内容比较零散，实验设备昂贵等原因难以实现大学生的基础实验教学。本文引入基于Quartus Ⅱ软件的模块化数字逻辑电路设计实验，使得学生进一步生动理解理论课程中学到的半导体材料的物理特性、数据延迟、数据跳变、半导体材料的应用等理论内容。本文提出的实验课程设计有利于激发学生的学习主动性、提高动手能力、挖掘半导体芯片开发能力、充分发挥学生的独创性，为培养学生的创新能力提供强有力的支撑。

参考文献

[1]王少昊，施隆照，魏榕山.“卓越工程计划下的固体物理教学改革，”物理通报，第4期，13-16+20页，2015年.

[2]李文尧，林青，郝惠莲.“半导体物理导论课程建设与研究型学习探讨，”课程教育研究，第10期，247页，2016年.

[3]林青，李文尧.“高等学校半导体器件物理的MOOC建设，”课程教育研究，第4期，251页，2016年.

[4]许一男，赵春雷，许成哲.“数字芯片设计在数字电路实验教学中的应用研究，”教育教学论坛，第49期，50-51页，2013年.

[5]凌味未，马文英，姚尧，石跃，陈祝.“基于工程教育认证机制的FPGA课程改革研究和实践，”考试周刊，第1期，9+11頁，2018年.