《微電子器件》教學(xué)中的模擬與設(shè)計論文
《微電子器件》教學(xué)中的模擬與設(shè)計論文
本文討論了動畫模擬與設(shè)計在微電子器件教學(xué)中的應(yīng)用，分析微電子器件的工作原理，使用3DMAX軟件制作進行模擬與仿真，展示器件工作的三維動畫的實現(xiàn)過程與方法，提出了從模型的建立、材質(zhì)的設(shè)計，到模型動態(tài)變化、攝像機拍攝過程的制作的一系列設(shè)計方法和技巧。并討論了增強三維動畫對放大原理的表現(xiàn)能力的手段，對微電子器件進行了完善、直觀的描述，有利于教學(xué)效果的提高。
一、介紹
微電子器件的發(fā)展，使信號的傳輸、處理、存儲能夠同時在半導(dǎo)體晶片上實現(xiàn)，在集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用及發(fā)展前景[1]，也是高校信息類一門很重要的課程。但微電子器件的知識涉及到半導(dǎo)體物理、固體物理、晶體管原理等多方面的內(nèi)容，內(nèi)容的繁多與抽象常常使得學(xué)生難以理解。因此有必要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上更深入地理解微電子器件的原理和制備工藝，并以三維模擬的形式進行直觀的表現(xiàn)。
在三維動畫的模擬與仿真中，通過三維動畫的形式對所要表現(xiàn)的對象進行模擬，連續(xù)播放一系列畫面，給視覺造成連續(xù)變化的圖畫，不會出現(xiàn)停頓現(xiàn)象[2]。使用三維動畫所制作的作品具有立體感覺，而不再是平面地表現(xiàn)的動畫新形式。寫實能力增強，表現(xiàn)力也非常大，使一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的形體，如器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等更加清晰地表現(xiàn)出來。另外，三維動畫的清晰度非常高，色彩飽和度好，具有非常強的視覺沖擊力和很好的畫面視覺效果[3]。在教學(xué)中應(yīng)用時能增強教學(xué)效果。
二、微電子器件的工作原理及其模擬設(shè)計與研究
(一)微電子器件的工作原理分析
微電子器件可以實現(xiàn)小電流控制大電流，小信號變?yōu)榇笮盘�。教學(xué)內(nèi)容包括正確的電路接法、信號的放大與控制、系統(tǒng)設(shè)計等。從電路方面來說，微電子器件有很多接法。如雙極晶體管(BJT)中就有共射、共集、共基等連接。這些接法都是二端口網(wǎng)絡(luò)，有輸入端口和輸出端口。電路理論可以從KCL和KVL的觀點來研究電流、電壓和功率，分析時將電路網(wǎng)絡(luò)分成一個個環(huán)路來分析電流、電壓。所謂信號放大，包括電壓信號、電流信號或功率的放大。共射、共集電路是電流信號的放大，共基電路是功率的放大。以共射接法的雙極晶體管為例。由KCL理論，可將電路中的電流看成輸入回路電流和輸出回路電流著兩支。在電路理論中只用受控電流源符號來表示雙極晶體管。于是，雙極晶體管共射連接時為什么實現(xiàn)信號放大的問題變成了其共射連接時，為什么輸出回路電流Iout能夠等比例地放大輸入回路電流Iin[4]。
從半導(dǎo)體物理來看，微電子器件的核心就是pn結(jié)。Pn結(jié)的作用是“正向偏壓導(dǎo)通，反向偏壓截止[5]”。在共射連接下是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。大多數(shù)教材都說明了由于少子擴散長度遠大于基區(qū)寬度，大部分由發(fā)射區(qū)擴散過來的少子來不及復(fù)合就已到達基區(qū)的集電結(jié)邊緣，由于集電結(jié)的反向偏壓，勢壘區(qū)有較強的內(nèi)建電場，少子便在電場下漂移至集電區(qū)[6]。但很少有教材說明 “反偏”的集電結(jié)為什么會有大的“正向”電流?其實這里面隱含著一個系統(tǒng)層級的問題。一個線性時不變系統(tǒng)就是無論在何時，對于給定的輸入信號，能夠產(chǎn)生固定的輸出信號，且與之前狀態(tài)無關(guān)。正常直流工作中的BJT是一個線性時不變系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))。單獨的pn結(jié)也是一個系統(tǒng)。若BJT僅僅是兩個pn結(jié)子系統(tǒng)組成的一個大系統(tǒng)，則不會有信號放大功能。原因便是無論何時，無論之前處于何種狀態(tài)，pn結(jié)子系統(tǒng)保持“正向偏壓導(dǎo)通，方向偏壓”截止的功能。于是由于及電解反偏，集電極將不會有電流流出。所以BJT絕不是單純的兩個pn結(jié)背對背地連接在一起，而是兩個pn結(jié)“耦合”在一起，融合成新系統(tǒng)，具有新功能。大量的空穴從發(fā)射區(qū)擴散至基區(qū)后，影響了基區(qū)原來的載流子系統(tǒng)的熱平衡并影響內(nèi)部的電場，從直觀上看，大量空穴注入基區(qū)，以至于在正常工作中，基區(qū)的少子空穴實際上長期多于電子，且基區(qū)所帶凈電荷長期為正。
基區(qū)復(fù)合電流和從基極電極注入電子的電流直接影響電子準(zhǔn)費米能級。電極與基區(qū)半導(dǎo)體形成歐姆接觸，兩邊電子處于同一費米能級，且接觸電阻很低，只要基區(qū)中電子濃度一減少，導(dǎo)致費米能級有些許下降，歐姆接觸兩邊費米能級差將使金屬費米海中的電子馬上涌入基區(qū)的“小河” 中，填補被復(fù)合的電子�；鶇^(qū)復(fù)合電流很小，存儲電荷對基區(qū)多子準(zhǔn)費米能級幾乎沒有影響。
考察基區(qū)存儲電荷對內(nèi)部電場的影響。根據(jù)一般教科書中的資料，只要BJT還沒進入飽和工作區(qū)，集電結(jié)總是有足夠的能力將基區(qū)集電結(jié)邊緣處的非平衡少子(空穴)吸收干凈。并將此作為邊界條件直接給出。如果我們假設(shè)空穴在集電結(jié)電場下的平均速度V漂 遠高于空穴擴散流平均速度 V擴，那么這個結(jié)論是可以簡單證明的。假設(shè)集電結(jié)邊界處非平衡少子濃度為p(0),時間△t間，從基區(qū)擴散至邊界的少子濃度為p(-△x)* V擴，從邊界漂移進勢壘區(qū)的少子濃度為p(0)* V漂。平衡時，p(-△x)*V擴 = p(0)*V漂，若 V漂>>V擴，則p(-△x)>> p(0)，可以近似認(rèn)為p(0)=0。在集電結(jié)反向偏壓下，經(jīng)過集電結(jié)勢壘區(qū)電場加速的空穴比起在擴散中前進的空穴平均速度應(yīng)該是大很多倍，所以儲存電荷全部集中在狹窄的基區(qū)中，對BJT的性能有一定影響。
由于基區(qū)帶有凈的正電荷，將使基區(qū)電位抬高，勢必加強集電結(jié)勢壘區(qū)的反向電場，增強發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)電場強度，從而減緩發(fā)射區(qū)空穴注入速度，加快集電區(qū)吸收空穴速度。一方面，存儲電荷會降低在相同正向偏壓下發(fā)射結(jié)電流強度，相當(dāng)于使結(jié)電阻增大。另一方面，在偏壓不變的情況下，基區(qū)存儲電荷量會自動達到一個上限值，所以它對BJT性能的影響是有限的。
要回答為什么輸出回路電流Iout能夠等比例地放大輸入回路電流Iin，實際上還隱含一個問題，對比函數(shù)式Iout=βIin，這個函數(shù)式蘊含的信息明顯少于信號圖所蘊含的信息，即信號的流向。可以用因果關(guān)系來解釋信號的流向，Iin的改變是因，Iout的變化是果。Iin與Iout是同時變化的，時間上有先后并不是因果關(guān)系的必然特征，關(guān)鍵是非對稱的可控性。即：以Iin作為輸入，Iout作為輸出時，BJT是輸出可控系統(tǒng);以Iout作為輸入，Iin作為輸出時，BJT是輸出不可控系統(tǒng)。所以，只用物理說明了Iin與Iout成固定比例還不夠，還應(yīng)該說明為什么Iin能夠控制Iout。在共射連接中，由于輸入電壓信號直接加在發(fā)射結(jié)上，從而直接控制了Iin和Iout;而輸出電壓加在發(fā)射極和集電極兩端，不能直接控制發(fā)射結(jié)電壓，因為Vbc是自由的。至此由信號輸入端可以控制信號輸出端。
(二)微電子器件的模擬與研究
1.任務(wù)分塊
將任務(wù)分成四部分：第一部分展現(xiàn)微電子晶體管在正常偏壓下的能帶圖;第二部分展現(xiàn)載流子和空穴如何在五個區(qū)域(發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)、發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)、集電結(jié)勢壘區(qū))運動，并展現(xiàn)特性參數(shù)定義以及放大系數(shù)公式;第三部分直觀展現(xiàn)微電子器件的放大原理。
2. 微電子器件的動畫展示
作為設(shè)計的開始部分，要制作出pnp管模型、解說板、能帶圖以及攝像機拍攝方案。模型的制作分兩步，先做出立體幾何模型，再制作各部分的材質(zhì)。
(1)pnp管模型
如圖2-1所示，立體模型部分分半導(dǎo)體部分和電極部分。半導(dǎo)體部分采用五個長方體表示五個區(qū)，即發(fā)射區(qū)、發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)、基區(qū)、集電結(jié)勢壘區(qū)、集電區(qū)。三個電極用長方體加細(xì)長圓柱形引線以及引線一端的小球構(gòu)成。全部幾何體都是經(jīng)“創(chuàng)建基本體”中的“標(biāo)準(zhǔn)基本體”建立的。
立體幾何模型建立好后，便對每個對象指定材質(zhì)。指定材質(zhì)而非直接選擇顏色，是為了對模型材質(zhì)有更好的管理和更強的表現(xiàn)力。
(2)解說板
解說板必需能夠跟隨攝像機同步移動，這里采取的技巧是運用“從屬連接”將解說板設(shè)置為攝像機的子對象，攝像機移動會帶動解說板移動，而對解說板的移動操作變成為對于攝像機的相對移動。這個技巧還解決了解說板隱藏與出現(xiàn)的問題。由于解說板的關(guān)鍵幀記錄的是相對于攝像機的移動，只需調(diào)整解說板在攝像機的攝像范圍中的位置高低即可實現(xiàn)隱藏與出現(xiàn)。在3DMAX軟件中實際上并不能復(fù)制關(guān)鍵幀，但可以移動關(guān)鍵幀。用“插入關(guān)鍵幀”按鈕在這段中設(shè)置關(guān)鍵幀，再將這個關(guān)鍵幀移動到要用的地方。運用這個技巧，將解說板上的說明文字設(shè)置成從屬于解說板，可跟隨解說板移動了。處理解說板上文字更換的問題采用了“后臺堆放區(qū)”的技巧。將不出現(xiàn)的文字對象放在攝像機視界之外的一個區(qū)域，這個區(qū)域就相當(dāng)于戲劇中的后臺，到該文字對象出場時則在一幀之內(nèi)移動到出現(xiàn)位置，同時將退場對象移至“后臺”。
(3)能帶圖
如圖2-2所示，能帶圖出現(xiàn)在展示板上，但不同于文字，它需要用線條畫出來。通過“布爾運算”實現(xiàn)點劃線圖形�！安紶栠\算”操作可以對兩個對象進行取并集、交集、差集變換。創(chuàng)建一個相當(dāng)于橡皮擦的長方體，用布爾運算將曲線減去長方體即可變成斷開的曲線，通過多次的斷開即變成點劃線。
(4)攝像機拍攝方案
3DMAX中攝像機有兩種，目標(biāo)攝像機和自由攝像機。本設(shè)計中使用目標(biāo)攝像機，視野45度的鏡頭，易于控制。
先展示pnp模型，從前視拍攝轉(zhuǎn)移到俯視拍攝，從遠景轉(zhuǎn)移到近景，同時標(biāo)題板和說明板亮相和退場。
再展示能帶圖。由于能帶圖比較占面積，將攝像機目標(biāo)上移，騰出位置讓能帶圖從上方進入攝像機視界。能帶圖退場后目標(biāo)回到原先位置。
3.內(nèi)部電流展示部分
(1)內(nèi)部電流展示
使用3DMAX中的粒子系統(tǒng)表現(xiàn)載流子的運動從而表現(xiàn)電流。其好處在于能夠更好地展示載流子擴散、漂移、復(fù)合、產(chǎn)生等微觀機制，更深入地表現(xiàn)BJT內(nèi)部各電流的機理。然而缺陷也是十分明顯的，即缺乏電流的直觀表現(xiàn)力，過于復(fù)雜化，且粒子系統(tǒng)在視口和渲染時耗費大量CPU計算量。因此，在模擬中采用箭頭的運動示意載流子的運動。創(chuàng)建一個矩形作為箭身，創(chuàng)建一個正方形作為箭頭，使用旋轉(zhuǎn)工具將它旋轉(zhuǎn)45度，使用對齊工具將它的中心與箭身的一邊對齊。進入修改欄，去掉半邊正方形成為三角形，并把交疊處的線去掉，至此箭頭平面圖形已建立。將兩部分組成組，占用CPU運算量少。將表面和側(cè)面分別指派不同的子材質(zhì)，調(diào)節(jié)透明度和高光反射值。空穴流向用紫色玻璃材質(zhì)，電子流向用淺藍玻璃材質(zhì)。模型做好后，進行動畫的制作。主要是分四步：①發(fā)射區(qū)空穴擴散至基區(qū)以后，基區(qū)電子擴散至發(fā)射區(qū)并與空穴復(fù)合轉(zhuǎn)換成空穴電流。②基區(qū)空穴繼續(xù)擴散至基區(qū)與集電結(jié)勢壘區(qū)邊界同時有少量空穴與基區(qū)電子復(fù)合形成基區(qū)復(fù)合電流Irb。③勢壘區(qū)邊界空穴被集電結(jié)電場掃至集電區(qū)。④集電結(jié)勢壘區(qū)兩邊的產(chǎn)生電流形成Icbo。
表現(xiàn)載流子的運動主要通過縮放箭頭的長度來實現(xiàn)。并用不同粗細(xì)的箭頭來表現(xiàn)電流的強弱。在每一步展示載流子運動的同時，還要伴隨著解說板的解說。最后還要將各電流的符號標(biāo)出。
(2)特性參數(shù)以及放大系數(shù)公式的展示
將攝像機及其目標(biāo)向下平移，pnp模型將移到攝像機視口的上方，下方則騰出更多空間給解說板，同時再將解說板向上平移以展示更多面積。
在代數(shù)表達式的書寫方面，由于3DMAX的Text對象不能顯示Mathtype這種專門軟件輸出的數(shù)學(xué)表達式，所以所有分式只能寫在在一行內(nèi)，且上標(biāo)和下標(biāo)都不能在同一個Text對象中寫出。然而有非用上標(biāo)不可的情況，如基區(qū)輸運系數(shù)β0* ，若無上標(biāo)則成了另一個參數(shù)指標(biāo)β0 ，即共射極直流放大系數(shù)。這種情況的處理方法是再建立一個Text對象，內(nèi)容便是“*”，將其縮放到適當(dāng)大小，移至 β0的右上方即可。然而不可用這種方法處理太多的上下標(biāo)，因為這樣做將增加很多個Text對象，由于Text對象在視口顯示以及渲染中都十分占用CPU資源，過多的Text對象將使3DMAX軟件難以運行，且使渲染輸出時間變得更加漫長。
4.放大原理直觀展示部分
直觀展示pnp放大原理需從輸入電流環(huán)路及輸出電流環(huán)路的角度出發(fā)，解釋發(fā)射結(jié)和集電結(jié)分別對這兩個環(huán)路電流的影響從而得出BJT將輸入電流放大成輸出電流的結(jié)論。所以，這部分應(yīng)分兩步：①展示輸入電流、輸出電流與內(nèi)部電流的聯(lián)系，展現(xiàn)輸入電流主要成分是發(fā)射結(jié)電子擴散電流，輸出電流主要成分是發(fā)射結(jié)空穴擴散電流。②分別展示兩個結(jié)的作用。
(1)輸入輸出電流的展示
先說明輸入電流主要成分是發(fā)射結(jié)電子擴散電流，輸出電流主要成分是發(fā)射結(jié)空穴擴散電流。方法是直接將除發(fā)射結(jié)電子、空穴擴散電流之外的所有電流及他們的text標(biāo)示隱去，調(diào)整這兩個電流箭頭的大小和位置，即：將空穴擴散電流Iep延伸至集電極，將電子擴散電流Ien的根部延伸至基極的中央。同時要調(diào)整攝像機及其目標(biāo)：由于上一部分特性參數(shù)以及放大系數(shù)公式的展示中將pnp模型移至視口上邊，這時就應(yīng)將模型重新移至視口中央;為了展示輸入電流和輸出電流回路，還需將攝像機拉遠，以騰出更大的空間范圍。
然后用橙色箭頭表示輸入電流，綠色箭頭表示輸出電流，它們在pnp體內(nèi)的部分將覆蓋原來的Iep和Ien電流箭頭。箭頭繞回路生長，四個箭頭首尾相接組成一個電流回路。
(2)兩個結(jié)作用的展示
在這里主要是做出發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)或集電結(jié)勢壘區(qū)閃爍的效果。首先想到的手段是通過改變材質(zhì)，使連個勢壘區(qū)的顏色變化，然而在實際操作中發(fā)現(xiàn)這個方法完全不可行。因為似乎材質(zhì)關(guān)鍵幀根本不記錄顏色的變化信息，而且材質(zhì)中的自發(fā)光只增強物體的亮度，不能出現(xiàn)物體周圍有輝光的效果。
如圖2-5所示，這里本動畫中運用了“偷梁換柱”的方法。制作出各自比發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)和集電結(jié)勢壘區(qū)的尺寸稍大一點的長方體，材質(zhì)選用與之前勢壘區(qū)的顏色有很大對比的紅色，然后讓紅色勢壘區(qū)覆蓋原勢壘區(qū)一秒，離開一秒，再覆蓋一秒，離開一秒，如此循環(huán)，則可表現(xiàn)出勢壘區(qū)在閃爍的效果。
三、學(xué)生的反饋
該設(shè)計模塊在過去的3年中已經(jīng)在兩個本科生班中運行。大多數(shù)的學(xué)生表明有一個互動工具使得學(xué)習(xí)變得簡單了，讓他們除了體會到了分析還有設(shè)計方面的工程。事實上，以往的教學(xué)風(fēng)格和當(dāng)前大量使用工程設(shè)計的例子之間的區(qū)別是存在課堂和功課上面的直觀理解。
四、結(jié)論
本文討論了微電子器件工作原理，探索了使用3DMAX軟件制作展示微電子器件放大原理三維動畫的實現(xiàn)過程與方法，提出了從模型的建立、材質(zhì)的設(shè)計、到模型動態(tài)變化、攝像機拍攝過程的制作的一系列設(shè)計方法和技巧，并討論了增強三維動畫對放大原理的表現(xiàn)能力的手段。實現(xiàn)微電子器件的三維模擬、仿真、設(shè)計的結(jié)合。
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