《電子學原理與應用》編寫特色

◆鮑 佳 麻壽光 杜晶晶

(浙江理工大學電子信息工程系)

《電子學原理與應用》編寫特色

◆鮑 佳 麻壽光 杜晶晶

(浙江理工大學電子信息工程系)

教材建設，是各項教學改革措施中非常重要的一環。根據一線教學過程中發現的學生基礎知識不夠扎實、工程概念不強、知識間相互聯系能力較弱等問題，編寫了《電子學原理與應用》一書，從半導體材料的非線性特性入手，引入了迭代法等常用工程問題的數值分析方法，并以實際工程案例為背景將原理－分析－設計串聯起來，同時加強了課程間的相互聯系，為寬口徑的培養方案奠定了厚實的基礎。

非線性特性 迭代分析 工程應用

將近年來國內電子信息類專業本科基礎課教材與美國同類教材進行對比，可發現國外同類課程所用的教材比較重視基礎理論應用的融匯貫通。相對而言，美國學生在本科階段所學基礎要扎實些，更強調將所學的基礎知識應用到解決實際工程問題中去，用于創新設計。而國內的教材普遍強調易懂易學，有些基礎知識被簡化，這可能會影響學生日后的發展。

比如，我校信息電子學院是大類招生，所設置的基礎平臺課程有普通物理、高等數學、電路分析基礎、信號與系統、數字信號處理、工程電磁場、數據結構與算法、MATLAB等課程。但進入電子信息基礎課程學習階段時，如模擬電子技術、數字電子技術、微機原理與應用等課程時，所用的教材中一些通識性基礎知識重現率很低，或者被簡化后失去原貌。容易給學生造成某些課程學而無用的印象。

我校電子信息工程專業是國家特色專業建設點，專業建設首先力求所用的教材有自己的特色。《電子學原理與應用》是十一五國家級規劃教材，適用于本專業模擬電子技術課程，已于2011年1月由高教出版社出版，在編寫該書時著重注意了以下一些問題。

一、較全面介紹半導體材料特性

通常導體、半導體、絕緣體是以材料的電導率來劃分，許多半導體器件的特性是由它的電導率σ來決定的，而σ與溫度和摻雜濃度有關。與其它教材不同，本書中給出了常溫下半導體材料導電性能和摻雜濃度的定量關系:

式(1)中的μn、μp分別表示電子和空穴的遷移率，而μn、μp是與摻雜濃度相關的非線性常數。有些教科書沒有說明μn、μp的非線性特點，而是取μn=1400cm2/V.s和μp=500cm2/V.s這樣在本征硅中的典型參數，容易誤導學生。對于摻雜半導體，《電子學原理與應用》一書用圖1表明了硅的不同摻雜濃度對μn、μp的影響，這樣技術上就比較完整，μn、μp可以用圖中的公式計算，使用時也可直接對照圖1讀數，這種概念的建立對從事新型器件開發的讀者掌握新器件制作技術是必要的。

比如，圖2(a)表示一個用PN結隔離的三極管剖面圖，而圖2(b)是廠家介紹的VMOS功率管的結構原理，兩幅圖中都用 n+、n－、p、p+等標明了各個工作區，但這樣的圖僅用于介紹管子的結構和工作原理，并不能用于制作晶體管，只有知道n+、n－、p、p+的具體數值，才能掌握制造工藝，而要確定摻雜濃度數值，大部分情況下要根據各個區要求的電導率，這就需要從圖1與式(1)表達的最基本的物理特性出發，進行分析。掌握這些基本原理就掌握了制造新器件基本思路。

只有了解了半導體器件的這些非線性特性，在以后的工程應用中，對電子器件的“非理想”現象才能做出合理的解釋，從而找到解決問題的辦法。

二、求解非線性問題的迭代計算——數值解法

非線性是所有物理器件的基本特性，對于半導體器件尤為明顯。對于這類問題，傳統的解析法使用受限制，回避這些問題對拓寬讀者的思路無益，為此《電子學原理與應用》一書在若干章節中加入了數值解法的實例。

例如，在上一節中提到的電導率與晶片摻雜濃度問題。假定可用式(3)計算:

式(3)中σ與q是常數，而μn是摻雜濃度ND的函數，而關于函數的信息可以從圖1中得到。由于μn與μp是非線性的，要解決這種非線性問題，用傳統的解析法就不是很便當，通常采用迭代法可以有很好的效果。

利用圖表中的信息是工程中經常遇到的問題。解上面問題用到數學與圖形兩方面的試湊－誤差逼近計算，初看起來似乎很麻煩，實際上因目前的計算工具，包括科學計算器都有強大的功能，解題過程還是方便的。

三、其它數學工具與技巧的應用

除了迭代法，書中還介紹了很多其它數學工具與技巧的應用。例如在第4章介紹了最壞情況分析法與蒙特卡羅分析法。最壞情況分析包含了全部極限條件，其結果可能顯示任意一個電路都不能可靠工作，但是全部參數為極限條件的概率是很低的。蒙特卡羅分析法是從統計學角度出發，考慮最壞情況出現的概率，因為要用足夠多的樣本，用到MATLAB軟件編程計算，也為MATELAB課程找到一個工程應用結合點。書中也給出了最壞情況分析與蒙特卡羅分析的實例。

第五章介紹了有關網絡極點的近似估算，一般而言對于傳遞函數分母多項式一元二次方程s2+A1s+A0=0的根稱作網絡的極點，計算極點可用求根公式如果A1、A0是一個純數字，這就是數學問題，很容易求得極點。但是電網絡中A1、A0是由具體的具有物理意義的R、L、C元件的組合，工程上計算極點是希望通過極點找到解決問題的方法，所以需要知道極點明確的物理意義。在某種條件下利用近似極點計算法，可確保物理意義明確。

四、以實際工程應用研究為依托，闡明電子學原理的應用技術

本書名為《電子學原理與應用》，編者希望在闡明基本原理同時，力求在介紹原理的應用方面有所突破。以第9章電子控制器件和電路的9.6節1kW功率以下三相逆變器應用電路分析為例，作者主要講述了圖3電路各部分的設計原理。有經驗者看一眼該圖就可知，這是一個非常完整的實用三相逆變硬件電路。負責該部分內容編寫的作者兼任某電機股份有限公司技術總監，圖3所示的拓撲原理實際上是公司看家產品硬件電路的主要組成部分。作者對不控整流器、功率驅動、啟動與保護、再生制動四個部分做了極為詳細的分析，具有獨到的見解。以不控整流器為例，圖3輸入部分為何兩條輸入線上都接有熔斷器?如何選擇整流器件?如何選擇電容?如何選擇浪涌抑制電路與器件?作者不嫌其繁做了詳解。其余三個部分以相同的風格撰寫，言之鑿鑿，解釋準確完備。因為圖3是真實產品的一部分，經過多年的市場考驗，所有工作狀態必須有預先估計，因此必須有過細的考慮，這實際上反映了作者多年的工作經驗。這種思想不限于正確理解圖3所示電路的工作原理。對所有的工程設計都是適用的。

五、結論

1.《電子學原理與應用》不回避電子器件非線性本質，若干處引入處理非線性問題的迭代計算——數值求解方法，有利于培養讀者處理較為復雜問題的能力。

2.部分章節設計了需用MATLAB解題的內容便于課程體系內容連貫，注意較新的通識課程內容應用于解決電子學的問題，有利于鞏固通識課程內容。

3.以作者工程應用研究為依托，力求電子學原理應用的講解有利于培養讀者解決實際工程問題的能力。所用的實例有鮮明的工程背景，可操作性強。