高中物理集成電路教學(xué)拓展

尹若童

(四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610065)

在目前這個高度電子化的信息社會,集成電路已經(jīng)滲透進國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的方方面面,小到電視機、計算機、手機等電子產(chǎn)品,大到航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸?shù)却笮驮O(shè)備,都離不開它的快速發(fā)展．

集成電路技術(shù)即采用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻和電容等元器件使用金屬線連接起來,制作在半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上,最后進行封裝,成為可以實現(xiàn)指定電路功能的微型結(jié)構(gòu)．

高中物理課本分別在選修3-1與3-2中對集成電路進行了初步的介紹.這一部分的教學(xué)可以搭建高中物理和現(xiàn)代科技前沿的橋梁．教師應(yīng)該扎根于課本,在介紹集成電路發(fā)展歷史的同時,讓學(xué)生了解與此相關(guān)的基礎(chǔ)知識和基本概念,并進行一定的提升拓展,就可以為學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新及思維拓展打下一定的基礎(chǔ).

1 集成電路發(fā)展史

1947年,AT&T貝爾(Bell)實驗室的兩位科學(xué)家John Bardeen(約翰·巴頓)和Walter Brattain(華特·布萊登)展示了一個由鍺(第一代半導(dǎo)體材料)制成的固態(tài)電子元器件,這也是世界上最早的點接觸型晶體管(圖1)．

圖1 世界上第一個點接觸型晶體管

1949年William Shockley(威廉·肖克萊)推導(dǎo)出了雙載流子晶體管的工作原理,并于同年發(fā)表了晶體管理論,同時預(yù)測了一種更容易量產(chǎn)的晶體管,即面接觸式雙載流子晶體管．

圖2 3位發(fā)明者:威廉·肖克萊(最前方)、約翰·巴頓(左后方)、華特·布萊登(右后方)

1956年約翰·巴頓和華特·布萊登,威廉·肖克萊3人因為晶體管的發(fā)明而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(圖2)．

1957年,Jack Kilby(杰克·克畢)注意到可以將分離式元器件,如電阻器、電容器、二極管等做在同一片半導(dǎo)體襯底上,再將它們連接在一起組成完整電路,以提高集成度、制造出更小的電路來降低成本．

1958年,杰克·克畢利用一個鍺條做成3個電阻器、一個電容器,利用細白金線連接晶體管、電容器和電阻器.這也就是世界上第一個集成電路(圖3)．2000年,杰克·克畢由于這項重大成績被授予諾貝爾物理學(xué)獎．

圖3 世界上第一個集成電路

2 高中物理中的集成電路

高中物理要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步形成“四個維度”的核心素養(yǎng):物理觀念和應(yīng)用、科學(xué)探究和交流、科學(xué)思維和創(chuàng)新、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任．通過學(xué)習(xí)知道物理研究是一項創(chuàng)造性工作,正確認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì),具有使用多種手段設(shè)計實驗、追求創(chuàng)新的能力,進而培養(yǎng)學(xué)生的好奇心和求知欲．集成電路的這一部分教學(xué)在提升學(xué)生的知識水平和動手能力方面,能起到很好的示范作用．

2.1 數(shù)字集成電路的處理及拓展

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展以數(shù)字信號為主要特征,主要通過數(shù)字集成電路來對計算機、手機等電子產(chǎn)品進行處理．在數(shù)字集成電路中通常以布爾運算作為信號運算的基礎(chǔ),輸入輸出均采用二進制,通過“1”“0”來分別表示信號的高電平與低電平狀態(tài)．

在人教版物理選修3-1第2章恒定電流第10節(jié)“簡單邏輯電路”中,主要對數(shù)字電路最基本的邏輯電路——門電路進行研究．在正文部分,主

要介紹了“與”“或”“非”三種基本邏輯門的邏輯功能及表示方法,課后習(xí)題部分也要求學(xué)生能夠辨別并進行簡單的設(shè)計應(yīng)用．但課本沒有對邏輯門的內(nèi)部構(gòu)造進行詳細講解,教師在教學(xué)過程中可以對邏輯門的工作原理進行一定的拓展．

例如,在進行“非門”設(shè)計時,可以通過CMOS實現(xiàn).如圖4所示，使用CMOS實現(xiàn)時,將PMOS與NMOS串聯(lián),兩管的柵極相連作為輸入端,兩管的漏極相連作為輸出端．NMOS的源極接地,PMOS的源極接電源．由PMOS與NMOS特性可知,輸入低電平時PMOS導(dǎo)通,輸入高電平時NMOS導(dǎo)通,反之截止．因此,當(dāng)輸入電壓為低電平時,NMOS截止,PMOS導(dǎo)通,輸出電壓與電源電位相同,為高電平;當(dāng)輸入電壓為高電平時時,NMOS導(dǎo)通,PMOS截止,輸出電壓與地電位相同,為低電平．因此實現(xiàn)了邏輯非的功能,即輸入輸出反相．

圖4

2.2 模擬集成電路的處理及拓展

模擬集成電路的信號以10進制的模擬運算為基礎(chǔ),輸入輸出量為連續(xù)變化的模擬值,即信號的電平值代表著電路中的具體數(shù)值,而非高低電平的指代．

圖5

在物理選修3-1中了解了電阻、電容等元器件后,在人教版物理選修3-2第6章傳感器中,為了實現(xiàn)集成電路的設(shè)計與制作,又對基本元器件如晶體管、普通二極管、發(fā)光二極管等進行了進一步介紹,并涉及較復(fù)雜電路的組裝問題．在這里,教師可以就課本對于集成電路實驗板(即面包板)的介紹進行一定的拓展,讓學(xué)生初步接觸模擬電路中波形的產(chǎn)生與觀察．

例如設(shè)計一個帶有三角波發(fā)生器的濾波系統(tǒng),在電路原理圖進行如圖5設(shè)計后搭建面包板如圖6所示.

圖6

然而對于稍微復(fù)雜一些的電路,不同邏輯門的組合會導(dǎo)致工作效率的下降,為了解決這一問題,集成電路也就應(yīng)運而生．它不僅實現(xiàn)了體積以及重量的縮小,也實現(xiàn)了速度和性能的提升,逐漸成為現(xiàn)代科技發(fā)展的基石．

3 總結(jié)

集成電路技術(shù)已經(jīng)戲劇性地改變了我們的生活,在可以預(yù)見的未來,由于集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進步,可以實現(xiàn)從汽車、電視、手機到航空航天的全部更新?lián)Q代．半導(dǎo)體集成電路技術(shù)推動了電子產(chǎn)品的小型化、信息化和智能化進程,他徹底改變了人類的生活方式,成為支撐現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展的基石．

面對日新月異的國際社會、愈發(fā)激烈的國際競爭,基礎(chǔ)教育肩負著科技強國的巨大責(zé)任,只有長期重視基礎(chǔ)科學(xué)研究,才有科技的強大,才有國家的強大．因此,高中物理教學(xué)就必須要重視與科技前沿的銜接,努力培養(yǎng)學(xué)生成為擁有科學(xué)素養(yǎng)和求知欲的高水平人才．