开放式微电子专业实验课程改革与

摘 要：在建设研究型综合大学的教学改革需求下,为改进原有专业实验的教学模式,针对“微电子专业实验”专业核心课程,进行了开放式实验教学新模式的尝试,在实验教学方法、教学手段和实验管理方式等方面实现了开放式微电子专业实验课程改革,有效解决了微电子技术实验仪器贵重、精密、量少与实验人数多、实验时间短的供需矛盾.通过建立理论与实验之间的预实验教学系统,一方面有利于提高实验效率,另一方面还有利于增强学生理论与实验融会贯通的能力.通过预实验和开放式实验教学,使学生具有扎实的理论基础,并为理论知识创新提供了一个良好的实验平台,综合培养了学生的动手、分析、探讨及实验总结、创新等能力.

关 键 词：微电子学；预实验；开放式实验

作者简介：梁海莲（1979-）,女,江西高安人,江南大学物联网工程学院、信息与控制实验教学中心,讲师；赵琳娜（1979-）,女,天津人,江南大学物联网工程学院、信息与控制实验教学中心,讲师.（江苏无锡214122）

基金项目：本文系江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题（课题编号：YJG08_YB26）的研究成果.

中图分类号：G642.423文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）20-0092-02

随着社会的飞速发展,传统封闭式、单向传输的课程教学模式,已不能适应现代社会发展的需要.近年来,多数高校正积极开展面向高校、企业与科研中心一体化的“产学研”相结合的课程教学改革.[1]

作为电子信息产业核心技术之一的微电子技术,已经成为现代电子信息技术,是当前计算机和通讯技术发展的主要驱动力.[2]作为微电子学专业核心课程之一的“微电子专业实验”,所涉及的基础理论知识面较广,涵盖了“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“模拟集成电路”、“数字集成电路”、“半导体物理”、“半导体器件物理”、“电子设计CAD”、“集成电路封装、制造”等多门专业课程知识.鉴于该课程所需实验设备仪器种类较多、测控要求高、仪器昂贵、维护成本高等特点,且受人力、物力的限制,课程中不同实验所需配套设备购置数量较少.然而随着微电子产业对专业人才需求的不断增大,所需人才技能水平日益提高,高校在面向社会、面向未来,构建研究型综合大学的奋斗目标下,必须提高人才培养效率,改变传统教学模式,从根本上解决学生人数多、实验时间短、实践技能提升缓慢等现实问题,这是课程教学改革的关键.

基于上述“微电子专业实验”的课程特点与现实受限因素,迫切需要针对实验教学内容、实验教学方式和实验管理制度等方面进行改革与创新.这是因为实验教学在高校人才培养过程中起着非常重要的作用,是连接知识与实践、实践与创新,并使理论知识向实践能力转化的重要桥梁.[3]为践行研究型综合大学与时俱进的教学理念,[4]在“微电子专业实验”课程教学改革中,以提高学生的综合素质为目标,以学生为主体,在实验教学内容、实验过程、实验管理等方面进行了开放式微电子专业实验课程教学,并取得了良好的教学效果.

一、实验教学内容的设计与完善

针对该课程实验内容系统性强、理论知识抽象复杂的特点,为使学生在进入实验环节之前,对理论知识有一个形象、直接的感触体验,提高学生实验探索的兴趣,设计了一套相关实验所需理论知识的预实验系统.该系统结合电子设计CAD、专业仿真软件、动画演示等,将抽象复杂的专业理论知识形象化,有助于强化学生对理论知识的理解,较好地实现理论与实验相结合的过渡衔接.通过理论知识复习和预实验,既可有效促进学生对理论的理解,又能让学生在预实验中掌握下一步实验过程中的操作技巧,还能为学生获得新的理论知识打下良好的基础.

经初步尝试,整套预实验系统中的电路仿真软件Multisim、印制版电路仿真软件Protel、FPGA嵌入式系统设计、虚拟电子实验室Labview,以及电路系统功能仿真软件MATLAB、集成电路系统仿真软件HSPICE、Cadence电子设计软件及半导体器件仿真TCAD等软件,可实现微电子专业实验从单个器件向电路模块乃至整个电路系统,从前端系统功能设计向后端电路制作及电路性能验证的全功能预实验仿真.借助上述预实验系统,一方面可以加深学生对电路结构、原理的认识与理解；另一方面还能训练学生熟练地使用仪器,掌握正确的测量方法,提升学生的实验数据分析与鉴别能力,还有利于减少实验损伤,提高实验效率.

二、实验管理制度的设计与完善

虽然上述预实验在一定程度上有助于提高实验效率,但在提高学生动手能力、专业技能等方面尚有欠缺.为了进一步解决微电子专业实验仪器精密、贵重且量少,操控较为复杂、耗时费力等问题,仍需改革原有的实验管理制度,改变实验管理方法,提高仪器的使用效率.

针对微电子专业实验仪器精密、贵重、数量较为单一的特点,在购置相关仪器时,建立了专业对口教师采购、运行并维护的主负责管理制度,同时配备该仪器适用专业方向的研究生,经专业培训上岗,辅助指导实验学生正确操控、使用仪器.在新置仪器运行之前,要求厂家针对专业对口主负责教师和若干辅助测控的研究生进行系统运行、维护、管理培训,培训后主负责教师针对“微电子专业实验”课程的培养人数、课程日程、学分等情况,制定了学生实验分组、分时计划,并相应指定各实验小组的助教研究生,指导学生使用该仪器,协助管理实验仪器的运行、维护,并记载相应的实验运行状况、实验人员等.

同时,结合“微电子专业实验”课程系统性强的特点,通过相应的实验教学环节,培养学生独立完成半导体材料特性测试、微电子器件特性测试、微电子技术工艺参数测试和电路系统性能参数测试等,提升学生的综合测试技能和实验分析能力,巩固和强化现代微电子技术与集成电路制造技术的相关知识,并为学生进行理论知识创新提供了一个良好的实验平台和理论基础,综合锻炼了学生分析、探讨和总结实验结果的能力.三、开放式微电子专业实验课程教改案例

以MOS集成运算放大器设计为例,制备工艺平台为0.6umCMOS工艺,2层多晶硅,5层金属连线,电路工作电压为3～5V.

首先,指定实验内容,两级CMOS集成运算放大器电路原理如图1所示,[5]其中M1～M4为有源负载的差分输入级,M5提供该级工作电流,M8、M9构成了共源放大电路,为输出级,M7为源跟随器,提供增益为1的缓冲器,以克服补偿电容的前馈效应,并消除零点,M6提供M7所需的工作电流,M10、M11组成运放偏置电路.电路性能与目标设计要求输出电压摆幅大于±3V,最大转换速率为30V/μs,补偿电容Cc为10pF.

其次,让参与实验的学生在电路仿真环境HSPICE中结合图1所示电路进行预实验,测试集成运算放大器在数学、物理理论模型下的理想实验参数,完成预实验,本预实验环节所需课时约3学时.在进入下一实验环节前递交实验预习报告,由学生在实验前联系专业机房的管理人员,自行安排课外时间完成.

再次,让学生在Cadence系统中使用Virtuoso软件完成CMOS集成运算放大器的版图设计,版图画完后需采用DesignRulesChecker（DRC）,按照电路设计规则检查设计的版图文件、运行和找出错误,并在相应版图位置中做出标记和解释.在检查完版图之后,还需进一步对ElectricalRulesChecker（ERC）进行检查,以查找线路中的短路、开路和浮空结点,ERC检查到短路错误后将错误提示局限在最短的连接通路上.在修正上述版图、电路连接问题后,仍需使用LayoutVersusSchematic（LVS）比较集成电路版图与其原理报告版图的连接是否一致,从而进行反复修改,直到版图和电路原理图达成一致.最终在完成集成运算放大器的版图验证与电路系统性能后仿的物理验证工作之后,方可与相关半导体代工厂联系,确定设计数据文件的大小、后端数据接口处的端口设计及其尺寸等,并交付半导体代工厂制备.本实验环节所需课时约6学时.

最后,将流片后的芯片在逻辑分析仪、混合信号测试仪、半导体参数分析仪等实验平台测试集成电路中器件的电学参数和集成运算放大器性能参数等,并结合预实验的仿真数据对比分析,进一步优化、改进版图,以提高集成运算放大器的综合性能,此实验环节约占3学时.由于本实验环节受仪器数量的限制,实验前需要先把已完成前两环节的实验学生分成2～3人一组,将半导体器件与集成电路测试和版图观测的实验平台安排在一个集成电路测试实验室,而将逻辑分析仪、混合信号测试仪等电路系统测试仪器等实验平台安排在另一个电子电学测试实验室,实现不同类别实验平台的相互独立,有助于不同实验室合理高效地实行开放式实验.当然不同实验平台均有指定能够熟悉操作的助教研究生协助,参与实验的学生能独立完成所需测试类型的实验.实验结束后,学生以书面形式阐述实验过程、分析测试数据、总结实验结果、完成实验报告.教师针对实验过程中出现的新现象、新问题,提出问题的查找方向,鼓励学生积极探索,查阅课外文献,提出具有独到见解的实验观点,为理论知识的创新、发展培养正确的科研方法.同时,也需要对全面开放的专业实验教学模式进行评价和提出建议.

四、结论

调查结果显示,学生对这种开放式微电子专业实验课程教学改革积极性较高,认真负责的配合教师、助教研究生完成实验任务.与传统单一、封闭教学模式相比,本课程教学改革在原实验管理员的积极支持下取得了良好的实验效果,也深受同学们欢迎,有助于提高同学们的学习兴趣和自我学习能力.