半導體物理課程中數字邏輯電路實驗的教學研究

李慧婷

摘 要

本文針對半導體物理課程中實驗教學改革問題，提出了基于數字邏輯電路設計的實驗教學改革方案。通過利用Quartus Ⅱ可編程邏輯器件設計軟件中的模塊圖設計方法（Block Diagram）來設計組合邏輯電路，使得學生在實驗過程中進一步掌握二進制算法、數據延遲、數據跳變等現象。從而激發學生的半導體物理課程的學習積極性，綜合提高半導體器件的作用機理、制造工藝等基本知識能力和半導體集成芯片設計能力。

關鍵詞

半導體物理;半導體器件;數字邏輯電路;Quartus Ⅱ

中圖分類號： G451.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.030

0 前言

半導體物理課程是介紹半導體材料的晶體結構、表面結構和性質、半導體與金屬界面的性質、半導體器件的作用機理和制造工藝等。由于講授內容比較零散，實驗設備比較昂貴等原因，面向本科生難以開展基礎實驗教學。本論文通過引入基于Quartus Ⅱ軟件的模塊圖設計方法，提出數字組合邏輯電路的實驗教學方案。通過使用不同數量的邏輯門電路、串聯和并聯結構的組合邏輯電路設計等，綜合分析組合邏輯電路的耗電量、延遲時間、數據跳變、干擾等現象，并結合半導體材料的理論知識，進一步探索半導體材料的基本特性和二進制邏輯算法在人工智能環境下面臨的科學問題。

1 半導體物理課程分

用半導體材料來實現的集成芯片是智能手機、電視、汽車等電子設備中必不可少的核心零部件。在日常生活中我們經常使用以上電子設備，同時大學課堂上也學過半導體相關的理論知識，因此大學生對半導體材料具有一定的專業基礎知識[1]。但是要具體學習集成芯片設計內容，需要提前學習數字電路與邏輯設計、數字信號處理、FPGA設計等基礎課程。從物理學專業層面，難以給學生設置以上基礎課程，并在半導體物理課程中重點講授半導體材料的基本特性和應用概況。

半導體材料的基本特性可以從量子力學和凝聚態物理等領域進行分析[2-3]。從量子力學角度，分析半導體中的電子狀態、雜質和缺陷能級、半導體中載流子的統計分布及運動規律，分析半導體材料中的電荷輸運現象和光、熱、磁、壓阻等各種物理現象。但是難以實現量子實驗，難以利用現用的半導體芯片的基本設計原理和量子力學的理論分析相結合。從凝聚態物理角度，分析凝聚態物質結構間的相互作用和粒子的運動規律、動力學過程以及它們與物理性質之間的聯系等半導體表面物性。雖然可以利用掃描隧道顯微鏡（STM）等實驗設備來對半導體材料表面特性進行實驗驗證，但難以實現面向本科生的驗證性、設計性實驗。

在講授半導體物理課程內容過程中，引用大量的原理圖和集成芯片圖形來講授半導體材料的基礎內容和應用前景。但課程設置中難以設置實驗教學內容，因此存在理論內容和實際應用脫離的現象。

2 基于Quartus Ⅱ軟件的數字邏輯電路實驗課程設計

數字邏輯電路實驗可以利用74LS系列常用芯片來實現的驗證性實驗和基于Quartus Ⅱ軟件的設計性綜合實驗來完成[4-5]。長期以來，數字邏輯電路實驗是基于數字電路與邏輯設計課程的基礎上開設的實驗教學內容，數字電路與邏輯設計課程的理論教學學時設置為48-64學時，實驗教學學時設置為8-16學時。主要利用基于數字電路實驗箱和74LS系列芯片來設計組合邏輯電路并進行驗證性實驗。基于Quartus Ⅱ軟件的組合邏輯電路設計性綜合實驗是初步掌握Quartus Ⅱ軟件的操作流程之后設計基本的組合邏輯電路，通過選擇不同類型的半導體集成芯片，可以綜合分析半導體集成芯片的占用面積、運算時間、延遲時間、數據跳變、噪音等實驗現象。從而客觀說明半導體物理課程中的半導體材料組合原理、電導能力、電荷運輸等物理現象。

Quartus II 軟件是Altera公司開發的系統級芯片設計（System on a chip）綜合開發系統，仿真結果中直接體現邏輯門電路的使用數量、耗電量和延遲時間等。Quartus II 軟件不僅支持VHDL和VerilogHDL等專用語言，可以利用與或非等邏輯門電路來直觀設計組合邏輯電路。由于半導體物理課程的教學學時有限，難以給學生講授VerilogHDL等專用語言，因此可以利用Quartus II軟件內涵的原理圖模塊（Block Diagram）設計功能來開設半導體芯片的部分數字電路實驗課程。通過數字邏輯電路的設計和仿真過程，可以容易實現基于系統級芯片設計概念的系統化、模塊化、流程化、可視化的實驗目的。

基于Quartus Ⅱ軟件的組合邏輯電路實驗教學內容設置方面，任課老師可以提前利用PPT來準備好基于Quartus II軟件的模塊圖設計方法來設計組合邏輯電路結構的每一項設計步驟（如，半加器），并提供給學生上機實驗時參考使用。本文提出該實驗課程的驗證性實驗學時為2學時，設計性實驗學時為6學時，共8學時。

學生通過第一次驗證性上機實驗（2學時），使得學生基本了解Quartus Ⅱ軟件的基本操作流程，理解半加器的組合邏輯電路基本原理，掌握邏輯門電路使用數量方法，掌握計算輸出數據的延遲時間方法，理解功能仿真和時序仿真的功能區別。由于不同方法的組合邏輯電路的設計，輸出結果是同樣的波形，但是邏輯運算流程和運算量是不同的，因此要完成同樣功能的邏輯電路組合，采用不同方法來設計的組合邏輯電路系統的耗電量、延遲時間等參數是不同的。在第二次設計性實驗過程中（2學時），采用不同邏輯電路組合來實現半加器的邏輯電路，分析邏輯門電路的使用數量、耗電量和延遲時間等，并與第一次實驗結果和相對比較，綜合分析半導體芯片的延遲特性、邏輯門電路數量和耗電量的相關關系等。在第三次設計性實驗過程中（2學時），引入脈沖信號功能的組合邏輯電路系統（如，計數器），使得學生掌握基于脈沖信號上升沿（下降沿）觸發的同步化系統設計概念，了解通過調換不同脈沖周期過程中產生不同的輸出信號延遲時間現象。在第四次設計性實驗過程中（2學時），引入使能和清零功能的組合邏輯電路系統（如，計數器）。大部分學生認為，集成芯片系統在休閑狀態下輸出信號為零，但是有必要理解當集成芯片系統中沒有提供電源時輸出信號仍然是零，因此在開發集成芯片系統的時候一般初始信號設置為高電平（如，使能信號）。通過本次實驗，使得學生了解集成芯片系統在接收使能信號有效時（初始信號為高電平，系統開始運行的使能信號為低電平）開始運行和停止功能。了解在清零信號變化過程中輸出信號具有連續的變化或清零的現象。基本了解每一個組合邏輯電路系統運算過程中，輸出信號的延遲時間是來自于最長邏輯電路支路上產生的，同時輸出信號中每一個周期的延遲時間都是一樣長度的延遲時間。通過以上8學時的實驗過程，使得學生進一步了解半導體物理課程中所學到的半導體材料的導電能力、電導率、遷移率概念及相互關系、半導體材料的應用等。

除了以上教學內容和教學要求之外，學生需要理解的內容主要包括：①針對某一個組合邏輯電路系統，數學表達式、真值表、組合邏輯電路、波形圖是相互一一對應的。②通過利用布爾化簡、卡諾圖等方式簡化組合邏輯電路結構。通過減小邏輯門電路數量，可以減小占用芯片的面積，加快集成芯片中運算速度，減小耗電量和輸出信號的延遲時間。③FPGA芯片開發過程中“下載”的過程不是能量傳遞的過程，而是基于電腦來設計的組合邏輯電路結構和集成芯片中一模一樣搭建電路的過程。④正確理解脈沖寬度和電控系統頻率之間是倒數的相關關系。⑤半導體材料中所提到的PN結合原理來搭建CMOS電路結構。⑥數字電路與邏輯設計課程中學到的與門、或門、非門、異或、同或等邏輯電路都是由NMOS和PMOS等CMOS電路來實現的。⑦正確理解常用芯片、可編程邏輯器件（FPGA）、定制芯片的優點和缺點。

3 結束語

半導體物理學是研究半導體中原子狀態和電子狀態以及各種半導體器件內部電子過程，是固體物理學的一個重要分支。半導體物理課程的教學內容比較零散，實驗設備昂貴等原因難以實現大學生的基礎實驗教學。本文引入基于Quartus Ⅱ軟件的模塊化數字邏輯電路設計實驗，使得學生進一步生動理解理論課程中學到的半導體材料的物理特性、數據延遲、數據跳變、半導體材料的應用等理論內容。本文提出的實驗課程設計有利于激發學生的學習主動性、提高動手能力、挖掘半導體芯片開發能力、充分發揮學生的獨創性，為培養學生的創新能力提供強有力的支撐。

參考文獻

[1]王少昊，施隆照，魏榕山.“卓越工程計劃下的固體物理教學改革，”物理通報，第4期，13-16+20頁，2015年.

[2]李文堯，林青，郝惠蓮.“半導體物理導論課程建設與研究型學習探討，”課程教育研究，第10期，247頁，2016年.

[3]林青，李文堯.“高等學校半導體器件物理的MOOC建設，”課程教育研究，第4期，251頁，2016年.

[4]許一男，趙春雷，許成哲.“數字芯片設計在數字電路實驗教學中的應用研究，”教育教學論壇，第49期，50-51頁，2013年.

[5]凌味未，馬文英，姚堯，石躍，陳祝.“基于工程教育認證機制的FPGA課程改革研究和實踐，”考試周刊，第1期，9+11頁，2018年.