開放式微電子專業實驗課程改革與探索

摘要：在建設研究型綜合大學的教學改革需求下，為改進原有專業實驗的教學模式，針對“微電子專業實驗”專業核心課程，進行了開放式實驗教學新模式的嘗試，在實驗教學方法、教學手段和實驗管理方式等方面實現了開放式微電子專業實驗課程改革，有效解決了微電子技術實驗儀器貴重、精密、量少與實驗人數多、實驗時間短的供需矛盾。通過建立理論與實驗之間的預實驗教學系統，一方面有利于提高實驗效率，另一方面還有利于增強學生理論與實驗融會貫通的能力。通過預實驗和開放式實驗教學，使學生具有扎實的理論基礎，并為理論知識創新提供了一個良好的實驗平臺，綜合培養了學生的動手、分析、探討及實驗總結、創新等能力。

關鍵詞：微電子學；預實驗；開放式實驗

作者簡介：梁海蓮（1979-），女，江西高安人，江南大學物聯網工程學院、信息與控制實驗教學中心，講師；趙琳娜（1979-），女，天津人，江南大學物聯網工程學院、信息與控制實驗教學中心，講師。（江蘇 無錫 214122）

基金項目：本文系江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題（課題編號：YJG08_YB26）的研究成果。

中圖分類號： G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）20-0092-02

隨著社會的飛速發展，傳統封閉式、單向傳輸的課程教學模式，已不能適應現代社會發展的需要。近年來，多數高校正積極開展面向高校、企業與科研中心一體化的“產學研”相結合的課程教學改革。[1]

作為電子信息產業核心技術之一的微電子技術，已經成為現代電子信息技術，是當前計算機和通訊技術發展的主要驅動力。[2]作為微電子學專業核心課程之一的“微電子專業實驗”，所涉及的基礎理論知識面較廣，涵蓋了“電路”、“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“模擬集成電路”、“數字集成電路”、“半導體物理”、“半導體器件物理”、“電子設計CAD”、“集成電路封裝、制造”等多門專業課程知識。鑒于該課程所需實驗設備儀器種類較多、測控要求高、儀器價格昂貴、維護成本高等特點，且受人力、物力的限制，課程中不同實驗所需配套設備購置數量較少。然而隨著微電子產業對專業人才需求的不斷增大，所需人才技能水平日益提高，高校在面向社會、面向未來，構建研究型綜合大學的奮斗目標下，必須提高人才培養效率，改變傳統教學模式，從根本上解決學生人數多、實驗時間短、實踐技能提升緩慢等現實問題，這是課程教學改革的關鍵。

基于上述“微電子專業實驗”的課程特點與現實受限因素，迫切需要針對實驗教學內容、實驗教學方式和實驗管理制度等方面進行改革與創新。這是因為實驗教學在高校人才培養過程中起著非常重要的作用，是連接知識與實踐、實踐與創新，并使理論知識向實踐能力轉化的重要橋梁。[3]為踐行研究型綜合大學與時俱進的教學理念，[4]在“微電子專業實驗”課程教學改革中，以提高學生的綜合素質為目標，以學生為主體，在實驗教學內容、實驗過程、實驗管理等方面進行了開放式微電子專業實驗課程教學，并取得了良好的教學效果。

一、實驗教學內容的設計與完善

針對該課程實驗內容系統性強、理論知識抽象復雜的特點，為使學生在進入實驗環節之前，對理論知識有一個形象、直接的感觸體驗，提高學生實驗探索的興趣，設計了一套相關實驗所需理論知識的預實驗系統。該系統結合電子設計CAD、專業仿真軟件、動畫演示等，將抽象復雜的專業理論知識形象化，有助于強化學生對理論知識的理解，較好地實現理論與實驗相結合的過渡銜接。通過理論知識復習和預實驗，既可有效促進學生對理論的理解，又能讓學生在預實驗中掌握下一步實驗過程中的操作技巧，還能為學生獲得新的理論知識打下良好的基礎。

經初步嘗試，整套預實驗系統中的電路仿真軟件Multisim、印制版電路仿真軟件Protel、FPGA嵌入式系統設計、虛擬電子實驗室Labview，以及電路系統功能仿真軟件MATLAB、集成電路系統仿真軟件HSPICE、Cadence電子設計軟件及半導體器件仿真TCAD等軟件，可實現微電子專業實驗從單個器件向電路模塊乃至整個電路系統，從前端系統功能設計向后端電路制作及電路性能驗證的全功能預實驗仿真。借助上述預實驗系統，一方面可以加深學生對電路結構、原理的認識與理解；另一方面還能訓練學生熟練地使用儀器，掌握正確的測量方法，提升學生的實驗數據分析與鑒別能力，還有利于減少實驗損傷，提高實驗效率。

二、實驗管理制度的設計與完善

雖然上述預實驗在一定程度上有助于提高實驗效率，但在提高學生動手能力、專業技能等方面尚有欠缺。為了進一步解決微電子專業實驗儀器精密、貴重且量少，操控較為復雜、耗時費力等問題，仍需改革原有的實驗管理制度，改變實驗管理方法，提高儀器的使用效率。

針對微電子專業實驗儀器精密、貴重、數量較為單一的特點，在購置相關儀器時，建立了專業對口教師采購、運行并維護的主負責管理制度，同時配備該儀器適用專業方向的研究生，經專業培訓上崗，輔助指導實驗學生正確操控、使用儀器。在新置儀器運行之前，要求廠家針對專業對口主負責教師和若干輔助測控的研究生進行系統運行、維護、管理培訓，培訓后主負責教師針對“微電子專業實驗”課程的培養人數、課程日程、學分等情況，制定了學生實驗分組、分時計劃，并相應指定各實驗小組的助教研究生，指導學生使用該儀器，協助管理實驗儀器的運行、維護，并記載相應的實驗運行狀況、實驗人員等。

同時，結合“微電子專業實驗”課程系統性強的特點，通過相應的實驗教學環節，培養學生獨立完成半導體材料特性測試、微電子器件特性測試、微電子技術工藝參數測試和電路系統性能參數測試等，提升學生的綜合測試技能和實驗分析能力，鞏固和強化現代微電子技術與集成電路制造技術的相關知識，并為學生進行理論知識創新提供了一個良好的實驗平臺和理論基礎，綜合鍛煉了學生分析、探討和總結實驗結果的能力。

三、開放式微電子專業實驗課程教改案例

以MOS集成運算放大器設計為例，制備工藝平臺為0.6um CMOS工藝，2層多晶硅，5層金屬連線，電路工作電壓為3～5V。

首先，指定實驗內容，兩級CMOS集成運算放大器電路原理如圖1所示，[5]其中M1～M4為有源負載的差分輸入級，M5提供該級工作電流，M8、M9構成了共源放大電路，為輸出級，M7為源跟隨器，提供增益為1的緩沖器，以克服補償電容的前饋效應，并消除零點，M6提供M7所需的工作電流，M10、M11組成運放偏置電路。電路性能與目標設計要求輸出電壓擺幅大于±3V，最大轉換速率為30V/μs，補償電容Cc為10pF。

其次，讓參與實驗的學生在電路仿真環境HSPICE中結合圖1所示電路進行預實驗，測試集成運算放大器在數學、物理理論模型下的理想實驗參數，完成預實驗，本預實驗環節所需課時約3學時。在進入下一實驗環節前遞交實驗預習報告，由學生在實驗前聯系專業機房的管理人員，自行安排課外時間完成。

再次，讓學生在Cadence系統中使用Virtuoso軟件完成CMOS集成運算放大器的版圖設計，版圖畫完后需采用Design Rules Checker（DRC），按照電路設計規則檢查設計的版圖文件、運行和找出錯誤，并在相應版圖位置中做出標記和解釋。在檢查完版圖之后，還需進一步對Electrical Rules Checker（ERC）進行檢查，以查找線路中的短路、開路和浮空結點，ERC檢查到短路錯誤后將錯誤提示局限在最短的連接通路上。在修正上述版圖、電路連接問題后，仍需使用Layout Versus Schematic（LVS）比較集成電路版圖與其原理報告版圖的連接是否一致，從而進行反復修改，直到版圖和電路原理圖達成一致。最終在完成集成運算放大器的版圖驗證與電路系統性能后仿的物理驗證工作之后，方可與相關半導體代工廠聯系，確定設計數據文件的大小、后端數據接口處的端口設計及其尺寸等，并交付半導體代工廠制備。本實驗環節所需課時約6學時。

最后，將流片后的芯片在邏輯分析儀、混合信號測試儀、半導體參數分析儀等實驗平臺測試集成電路中器件的電學參數和集成運算放大器性能參數等，并結合預實驗的仿真數據對比分析，進一步優化、改進版圖，以提高集成運算放大器的綜合性能，此實驗環節約占3學時。由于本實驗環節受儀器數量的限制，實驗前需要先把已完成前兩環節的實驗學生分成2～3人一組，將半導體器件與集成電路測試和版圖觀測的實驗平臺安排在一個集成電路測試實驗室，而將邏輯分析儀、混合信號測試儀等電路系統測試儀器等實驗平臺安排在另一個電子電學測試實驗室，實現不同類別實驗平臺的相互獨立，有助于不同實驗室合理高效地實行開放式實驗。當然不同實驗平臺均有指定能夠熟悉操作的助教研究生協助，參與實驗的學生能獨立完成所需測試類型的實驗。實驗結束后，學生以書面形式闡述實驗過程、分析測試數據、總結實驗結果、完成實驗報告。教師針對實驗過程中出現的新現象、新問題，提出問題的查找方向，鼓勵學生積極探索，查閱課外文獻，提出具有獨到見解的實驗觀點，為理論知識的創新、發展培養正確的科研方法。同時，也需要對全面開放的專業實驗教學模式進行評價和提出建議。

四、結論

調查結果顯示，學生對這種開放式微電子專業實驗課程教學改革積極性較高，認真負責的配合教師、助教研究生完成實驗任務。與傳統單一、封閉教學模式相比，本課程教學改革在原實驗管理員的積極支持下取得了良好的實驗效果，也深受同學們歡迎，有助于提高同學們的學習興趣和自我學習能力。

參考文獻：

[1]劉瑞，伍登學，鄔齊榮，等.創建培養微電子人才教學實驗基地的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2004，（5）：6-8，23.

[2]楊依忠，解光軍，易茂祥，等.創建微電子專業實驗室的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2009，26（12）：137-143.

[3]馬瑤，石瑞英，袁菁，等.開放式專業實驗教學模式探索和實踐[J].高等教育發展研究，2008，25（1）：42-45.

[4]王強.微電子實驗教學改革探索[J].大學物理實驗，2009，22（4）：94-96.

[5]柳遜，閆娜，吳曉鐵，等.一種高性能運算放大器的設計[J].微電子學與計算機，2005，2（6）：28-32.

（責任編輯：孫晴）