半導體器件教學方法的探討

靳 宏 王 莉 陳 虹

揚州大學 江蘇揚州 225009

半導體器件教學方法的探討

靳 宏 王 莉 陳 虹

揚州大學 江蘇揚州 225009

模擬電子電路的核心元件是半導體器件，因此對半導體器件原理及特性的掌握至關重要。學生入門便是接觸半導體器件知識，通常感覺生僻難懂、學習吃力，對以后器件的應用更是無法得心應手。主要介紹筆者對這部分內容的教學心得，在教學過程中結合各種教學方法，讓學生便于理解與識記。

模擬電子電路；半導體器件；晶體管；二極管

大學工科教育的目的不是單純的傳授知識，而是一要注重學生能力和素質的培養，二要幫助學生學會學習，為了適應這種要求，必須在教學方法和教學手段上進行相應的改革。模擬電子技術基礎是工科電類專業的一門非常重要的專業基礎課，研究的對象是半導體器件及由半導體器件構成的各種模擬基本功能電路。在模擬電子技術基礎中要解決的根本問題就是半導體器件的導電特性，但是教材中涉及的半導體器件種類繁多，學生普遍反映這部分知識難以理解和掌握，而更重要的是它們是組成電子電路的基本元件，如果沒有掌握它們就無法正確分析基本功能電路，并且會使學生喪失對這門課的學習興趣。筆者在這部分內容講解中綜合運用各種教學方法、手段，激發了學生的學習興趣和創造性，培養了良好的思維方式和學習方法，達到了不錯的教學效果。

1 教學思路脈絡清晰

首先將教學內容脈絡理清，這樣尤如一串精美酸甜的“冰糖葫蘆”，既有“觀賞性”，又有“可食性”。教學中，采取“理大關系、求小聯系、定準位置、構建框架”的教學法。

我們使用的教材是清華大學電子學教研組編寫的《模擬電子技術基礎》(第四版)，它是普通高等教育“十五”國家級規劃教材，也是首屆國家級精品課程—清華大學電子技術基礎課程的教學實踐總結。該教材第一章便是常用半導體器件，我們采用以下教學思路：先介紹學生高中就熟悉的本征半導體知識，然后引出雜質半導體的概念，在此基礎上重點介紹PN結的原理及特性；半導體二極管的引出要自然一些，就是用外殼將PN結封裝后加上電極引線就構成了二極管；晶體管的引出比較生動，是將兩個PN結背靠背粘連起來。二極管與晶體管的導電原理以PN結導電原理為基礎，二極管與晶體管的特性曲線可在PN結特性曲線基礎上變化得到。如此以來，學生對本部分內容的理解不再是孤立的PN結、二極管、晶體管等陌生而又晦澀的概念，而是由熟知的本征半導體一步一步推導到模擬電路的半導體器件，所有知識及內容串接起來，由簡單到繁多，容易接受與掌握。

2 創新教育融入教學方法

課堂教學中的“創新教育”大致有以下3項內容：培養學生的創新意識；訓練學生的創新思維；開發學生的創新能力。“啟發式”和“討論式”教學更能體現出學習者的積極參與，對于培養創新能力，訓練創新思維是非常重要的，但也對教師提出了更高的要求。在教學中我們對所講授的內容，進行精心設計，怎樣提出問題，如何引導學生去思考、去分析，對于可能出現的錯誤答案如何去辨析，引導學生大膽去思考，鼓勵學生發表不同見解，進行討論和爭辯，這樣，不僅訓練了學生的思維，激發了學生學習的積極性和主動性，同時對于培養學生的創新能力也起到了很好的促進作用。

PN結的形成及半導體內部載流子運動是學生最難理解的部分，這些內容的講解筆者采用“提問式”“啟發式”和“討論式”相結合的教學方法，先讓學生去思考、去分析，然后發表不同見解，進行討論。例如PN結的形成，首先詢問學生當P型半導體和N型半導體結合在一起會發生什么情況，并在學生思考中給予提示和不斷提出新問題，引導學生得到正確的結論。對于晶體管的電流放大原理內容的講解更是要精心設計，首先表明它的構成是有2個PN結背靠背粘連起來，但是單純的把兩個二極管背靠背地連在一起是沒有放大作用的，要想使它具有放大作用，必須滿足如下條件：(1)發射區摻雜濃度大。(2)基區必須很薄、摻雜濃度小。(3)基電結的面積應很大。(4)工作時：發射結應正向偏置，集電結應反向偏置。晶體管的工作原理分析要結合以上的4個條件以及PN結正向偏置和反向偏置的導電原理，采用“提問式”“啟發式”和“討論式”相結合的教學方法，得出各部分電流大小及關系，例如發射結正偏加速多子擴散產生以下電流：發射區多子電子不斷向基區擴散，形成電流，由條件(1)知道此電流比較大；基區多子空穴向發射區的擴散可形成電流，由條件(2)知道此電流很小。

3 類比與對比使記憶深刻

在教學中如果能恰到好處地類比以前的舊知識作為引言，易使學生既復習了舊知識，又了解了知識的內在聯系，從而易于將新知識接納到已有的認知結構中。在教學中采用對比講解知識，學生對知識的記憶會更加深刻。半導體器件一章涉及的新概念很多，學生在理解上存在一定的困難，在教學中我們采用對比、類比等方法讓學生從已知或熟悉的知識遷移到新知識，筆者以3個教學實例來闡述如何在教學實踐中運用類比和對比的教學策略。

3.1 空穴導電原理

對于空穴的導電原理歷來是學生難以理解的問題，這部分內容的講解要結合學生熟知的自由電子導電過程。空穴導電原理與自由電子導電原理不同，卻離不開自由電子：首先，原子因為失去電子而帶正電，形象化說是空穴帶正電，在電場力的作用下，一部分電子定向移動產生電子電流，另一部分電子按一定方向依次填補空穴，這樣相當于空穴的移動，而空穴的移動相當于正電荷的移動，因此形成空穴電流。

3.2 PN結導電特性

PN結正向偏置和反向偏置的導電原理也可以對比講解和記憶，例如：PN結外加正向電壓的接法是P區接電源的正極，N區接電源的負極，反向接法恰恰相反；PN結正向偏置是多數載流子形成擴散電流，方向是從P區指向N區，反向偏置是少數載流子形成漂移電流，它的方向與正向電壓的方向相反；PN結正向偏置時等效電阻阻值很小，反向偏置時呈現的電阻阻值很高。

3.3 晶體管特性曲線

晶體管的輸入特性曲線描述的是在管壓降μCE一定條件下，基極電流iB與發射結電壓μBE之間的關系，因為發射結正向偏置，所以它與PN結的正向特性曲線相似，由于三極管的2個PN結相互影響，因此，輸出電壓μCE對輸入特性有影響如圖1中(a)所示。

晶體管的輸出特性曲線描述的是在基極電流IB一定條件下，集電極電流iC與管壓降μCE之間的關系，不同的基極電流IB對應于不同曲線，如圖1中(b)所示，因為集電結反向偏置，所以每一條曲線與PN結的反向特性曲線形狀相似。

圖1 晶體管管輸入輸出特性曲線

4 重點難點條理化

教學中，采取“吃透內容、分化內容、破解內容”三步法，以及“尋找切入點、分層剝筍、各個擊破”的方式，引導學生找出破解重點、難點的“點金術”，使其化難為易，把學習的“苦惱”變成一種享受。半導體器件中各個器件的特性曲線是重點掌握內容，特性曲線的形狀可以如前所述類比記憶，在具體電路的使用中則要化整為零，分類記憶。例如根據半導體二極管的伏安特性曲線，筆者通常給學生總結如下：

(1)總體特性：正向導通反向截止。

(2)當0

(3)當u>Uon時，二極管導通，導通后電壓變化范圍小。

(4)當0>u≥UBR(UBR稱為反向擊穿電壓)時，二極管截止。

(5)當u

(6)溫度增加時，正向曲線左移、反向曲線下移。

5 結束語

對于模擬電子技術基礎這門課，“管”(半導體器件)是“路”(電子線路)的基石，“路”是該課程研究的核心內容，因此明確要求學生過好“器件關”，要求做到“會分析、會選擇、會應用”典型半導體器件(二極管、晶體管等)，關鍵是要掌握這些器件的特性曲線,通過分析特性曲線往往有利于掌握器件的模型、參數和工作原理等。教學過程是一個復雜的過程，如何將大量的知識在有限的課堂教學過程中講清楚明白，需要教師在教學實踐活動中積極研究和探索，找到符合本課程教學規律和特點的教學方法與教學手段，綜合利用課堂講授、討論、專題講座等方法，特別強調“啟發式、參與式、滲透式”教學，激發學生的學習興趣和創造性，培養良好的動手能力，另外充分利用多媒體等現代教育技術進行生動的教學，制作課程的電子教案和課件，達到占用學時少，又能使學生很好地掌握知識的教學效果。

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[4]康華光.電子技術基礎模擬部分(第四版)[M].北京：高等教育出版社，1999

[5]謝嘉奎，金寶琴，謝洪曛.電子線路(線性部分)(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，碩士，講師。王莉，碩士，講師。陳虹，本科，教授。