PN結二極管教學過程中的課程思政

陳新武　倉玉萍　涂友超　張曉麗　王鵬　張昆　陳天歌

摘 ?要：為了更好地踐行立德樹人的社會主義教育觀，文章以PN結二極管教學內容為例，探討了在本部分教學過程中如何挖掘課程思政元素，主要包括：科技強國的責任感培養、矛盾多樣性的認識與應用、量變質變規律、創業激勵、大國工匠精神五個方面。

關鍵詞：課程思政;PN結二極管;模擬電子技術基礎;思政元素;立德樹人

中圖分類號：G641 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）13-0177-04

Abstract： In order to better practice the concept of socialist education of fostering character and civic virtue， this paper takes the teaching content of PN Diode and discusses how to excavate the ideological and political elements in this part of teaching， mainly including five aspects： the cultivation of the sense of responsibility of the powerful country in science and technology， the understanding and application of the diversity of contradictions， the law of quantity deterioration and change， the incentive of starting a business， and the spirit of craftsman in a big country.

Keywords： ideological and political education in all courses; PN Diode; Fundamental of Analog Electronic Technology; political elements; fostering character and civic virtue

習近平總書記于2016年12月7日在全國高校思想政治工作會議中指出，“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人。”“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。”這些重要論述為高校實施“課程思政”建設指明了方向，提供了遵循[1]。許多高校針對“立德樹人、課程思政”設立了專項研究課題，很多教師紛紛加入了課程思政建設之中。

《模擬電子技術基礎》課程是信息類和控制類專業的核心課程之一，許多電子學基本思想都起源于該門課程。如何很好地挖掘該課程的思政元素，應用這些思政元素為立德樹人的育人目標服務，是每一位任課教師光榮而神圣的使命。二極管原理及其應用是本課程的核心內容之一，將思政內容融入其中，是一個值得探討的問題。太原工業學院王建國和翟麗紅兩位教師通過二極管不同等效電路模型的不同復雜程度探討了其中的辯證思維能力培養，并與人生命運選擇進行了類比[2];中北大學的劉濤和牛慧芳兩位老師通過二極管分類培養學生的思辨能力[3];寧波職業技術學院的翁蕓老師從普遍聯系的觀點強調了二極管教學過程中的著眼點[4]。三篇論文均具有較高的參考價值。其他老師雖然也提到了二極管的重要作用，但沒有將二極管教學作為一個單獨的教學單元進行課程思政的闡述[5-6]。

本文針對二極管部分，進一步挖掘課程思政元素，以便于更好地促進立德樹人，全程育人。

一、科技強國責任感的培養

如果直接從原理性的角度來講述光電二極管和發光二極管，學生的積極性往往沒有被調動起來，教學效果往往不好。如果能夠結合社會熱點問題來講述，則會激發學生的學習熱情。例如，我們以目前的5G之爭作為引言，這樣引入：“眾所周知，通信技術的發展水平高低，對一個國家的科技地位和經濟地位有極大的影響。目前，我國和美國之間展開的5G技術的激烈競爭，正說明了這個事實。”然后，用圖1所示的光通信系統框架，引入發光二極管和光敏二極管，然后設定問題：1. 發光二極管和光敏二極管（又稱光電二極管）的作用分別是什么？2. 發光二極管和光敏二極管分別利用了半導體材料和PN結的什么性質？3. 兩種不同類型的管子，正常工作狀態的偏置（即正偏或者反偏）有什么不同的要求？4. 如果要提高通信系統的速度，關鍵問題是什么？

必須指出，這四個問題層層遞進，每一個問題都有極為深遠的理論價值和應用價值，對于我國在半導體產業的發展都有重要的作用和影響。首先看第一個問題：發光二極管和光敏二極管的作用分別是什么？發光二極管發什么顏色的光、什么頻率的光？是否為可見光？到目前為止，發光二極管所發出的光的顏色，只在很有限的幾個不同的頻段上，例如在可見光頻段，紅色、綠色、藍色和白色LED的技術比較成熟。而且，特別值得重視的是，如何提高發光二極管的性價比和降低LED的閾值電壓，這是全世界都在研究的熱點問題。如果能在該領域占據領先位置，將能夠促進我國在該領域具有更大的話語權。

下面看第二個問題：發光二極管和光敏二極管分別利用了半導體材料和PN結的什么性質？這個問題牽涉半導體材料的制備與生產技術。發光二極管是上世紀20項重大發明之一，極大地促進了世界范圍內經濟的快速發展。發光二極管和光敏二極管所需要的材料數量巨大。采用什么材料生產這兩種二極管來提高管子的工作效率？全球電子技術領域的科研人員都非常關心這個問題。以信陽師范學院物理電子工程學院為例，就有一些教師在研究這種半導體材料，取得了比較大的學術影響和較高的學術地位。以身邊的故事為案例，可以更好地吸引學生的注意力。課后帶領學生參觀相應的實驗室，進一步激發他們的探索精神和為國爭光的自信心。本專業已經有幾個同學在相關領域導師的帶領下，取得了一些比較有影響的科研成果，有的同學還直接在相關實驗室繼續攻讀碩士學位。

第三個問題：兩種不同類型的管子，正常工作狀態的偏置（即正偏或者反偏）有什么不同的要求？這個問題牽涉到管子內部載流子的運動規律和管子的工作原理。由于發光二極管的基本工作原理是自由電子和空穴復合的情況下發出光子，因而需要比較大的電流，才能實現大量自由電子和空穴復合從而產生足夠強度的光。而光敏二極管則需要工作在反偏狀態，這是因為，只有在反偏的情況下，光電效應的現象才會比較顯著。不同的光照產生的本征激發現象才能由于光強不同而有明顯的不同，進而引起電流的顯著差別。

當學生回答到第四個問題，即：“如果要提高通信系統的速度，關鍵問題是什么？”的時候，教師可以引導學生到二極管的頻率響應問題上來。然后講述PN結二極管的電容，包括二極管的擴散電容、結電容，然后講到二極管的開關特性和開關時間。第三個和第四個問題與實際工程應用關系尤為密切。例如二極管的結電容，可以分為動態電容和靜態電容，或者擴散電容和勢壘電容。這些電容都有嚴密的計算公式，但是對于實際工程來講，如何簡明扼要地講述清楚其中的道理則需要任課教師仔細斟酌。但是，有一個必須面對的關鍵問題，PN結的存在，就導致了結電容的存在，它兩端電壓的變化，必然引起電容器結構的變化，從而產生容值的變化。

之后可以講解半導體工藝方面我國和美國等發達國家之間的差距，激發學生的愛國熱情，力爭學好基礎理論，為我國半導體技術的發展添磚加瓦。另外，教師還可以將無線通信理論，包括天線技術介紹給學生，并說明我們國家目前的領先與落后領域，引導學生有民族自豪感和自信心。也可以讓學生自己查資料，來對這個領域進行比較深入地探討。總之，只要學生的積極主動性調動起來，就會收到意想不到的良好效果。

二、矛盾多樣性的認識與應用

二極管具有多方面的性質，主要包括：單向導電性、門限電壓、熱敏特性、光敏特性、反向擊穿特性、正向擊穿特性、內建電壓等。如果根據每一個特性所具有的矛盾為主要出發點，則可以得到不同的器件模型，生產出不同類型的器件。必須指出，上面所說的各種性質，其實是一種便于工程應用的說法，是主要性質的描述，而忽略了一些次要的因素。

利用二極管的單向導電性，將此性質作為主要矛盾進行考慮，則可以制作出開關二極管;如果要突出二極管的門限電壓，則可以突出以肖特基二極管為代表的低閾值性質，它的開啟電壓相比較于普通二極管要低一半甚至更多（如圖2所示）。圖2中，iD表示流過二極管的電流，vD表示二極管兩端的電壓。Vγ（SB）表示肖特基勢壘二極管的開啟電壓（即閾值電壓），Vγ（pn）則表示普通PN結二極管的開啟電壓。從圖中可以看出肖特基勢壘二極管的開啟電壓大約是普通PN結二極管的開啟電壓的一半，而低電壓意味著低功耗，低功耗意味著綠色和環保，因而在全球范圍內，許多研發人員仍在積極開展低閾值二極管的研究。

利用半導體材料的熱敏特性或者光敏特性，則可以生產熱敏二極管和光敏二極管;二極管反向擊穿的情況下，較小的電壓變化就可以導致較大的電流變化，可以用作穩壓二極管;內建電壓的存在為太陽能電池提供了可能;正向擊穿電流則為二極管所能承受的最大正向整流電流的額定值進行限制。

另外，二極管的電容效應也包含辯證思想。當二極管作為開關使用時，我們需要考慮它的開關時間和暫態響應。開關時間包括開啟時間和關斷時間兩個方面，哪個時間能夠決定二極管的開關時間？也就是說，哪個是主要矛盾呢？課堂上，老師引導學生進行分析，讓學生體會抓住主要矛盾的方法。二極管的結電容一般為pF量級。在本課程之前的電路分析課程中，學生已經掌握了電容容抗的計算方法，老師可以引導學生計算pF量級的電容器，在什么樣的頻率下，才可以和電路中的電阻相比不可忽略。通過計算可以發現，在低頻段，由于容抗遠大于電路中的電阻阻值，因而可以忽略這種電容的存在。然而，隨著頻率的升高，電容的容抗變小，特別是當頻率達到GHz量級的情況下，電容的容抗很小，甚至小于電路中電阻的阻值，這時候的PN結電容就必須考慮在內。通過簡單的計算，學生明白了近似計算的原理，能夠抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，既提高工作效率，又能保證電路正確。

三、量變質變規律

對于二極管的導通和截止，大家一般從單個器件的角度去闡述，這樣就忽略了大量二極管被集成在一起時候的一些特殊效應。一般教科書上都會講到，二極管反向截止，該反向截止電流為nA量級（典型值0.1nA），這個電流很小，一般可以忽略。但是，當二極管（或者是PN結型器件）在集成電路中大量使用時，數量級達到10的10次方以上，即使所有二極管全部截止，也可以產生1A左右的大電流，這么大的電流對于集成電路來講，可以說是不能接受的。教師在講解過程中，可以從一個二極管反偏電流，到10個二極管反偏電流，然后100個、1000個……，直至100億個，讓學生體會這個電流從小到大的變化過程，加深學生對于量變到質變的理解。

這種案例很多，在上面提到的PN結電容，隨著頻率的升高，電容值減小，當頻率達到GHz時，它的電容效應就不容忽視了。在放大電路部分經常用到的耦合電容和旁路電容也有類似的表現。在這些案例中，都蘊含著量變到質變的哲學思維。

四、創業激勵

電子產業是IT產業的龍頭產業，有很大的發展機遇和空間。例如，前面提到的二極管的各方面性質，都是重要的經濟增長點。這里給出兩個案例，以便于和同行交流。

案例1：具有較低閾值電壓的二極管的研發與生產，可以有效降低整個電路的驅動電壓，提高電路的工作頻率，提升整個電子產業的各種電子產品的性能。鼓勵學生在這個方向展開文獻調研，發現問題所在，針對該問題進行學習和研究，可以為自己創業奠定良好的基礎。

案例2：光伏系統的研發與生產。在二極管部分，有一個重要的內容，就是利用PN制作的太陽能電池單元。通過講解基本的太陽能電池的基本原理，啟發學生，現在太陽能電池的關鍵技術在哪里？讓學生主動查找資料，針對現在太陽能發電系統存在的問題展開討論，鼓勵學生研發相關的技術和產品。我校具有太陽能光伏系統研發中心，學生們通過見習和實習，可以極大地促進他們的創新創業熱情和動力。

《模擬電子技術基礎》課程中，類似這樣的案例很多，不斷啟發學生的創新精神，有利于整個國家創新驅動能力的提高。

五、大國工匠精神

《模擬電子技術基礎》課程中有很多案例可以用來培養學生的大國工匠精神，這里給出一個案例。

如圖2所示，穩壓二極管工作在反向擊穿狀態，由于較小的電壓變化就可以引起很大的電流變化，因而可以構造圖3所示的穩壓電路。在對圖2進行分析和講解之后，可以讓學生回答一個問題：穩壓二極管工作點動態范圍如果分別為A、B和C所示，應該如何選取最好？在本課程實際授課過程中，許多學生選擇C區。他們選擇的原因是：C區具有最好的穩壓特性，他們的解釋確實很有道理。但是，通常情況下，我們會將工作點選擇在A區。原因是要降低功耗。事實上，我們在設計圖3所示的穩壓電路時，特別要注意的是穩壓二極管的功耗和安全性。如果將管子的工作點選擇在A區，雖然穩壓性能略低于C區，但是管子的功耗卻是明顯減小的。因此，電路設計要求我們在穩定性好和低功耗之間做出選擇。在采用了圖3所示的電路結構的情況下，由于該電路具有一個負反饋機制，穩壓二極管工作點選在A區就可以了。這是綜合考慮的結果。

通過本案例的講解，學生知道設計的過程就是在眾多方案中折中的過程，能夠根據工程需要去優化自己的設計。這種工匠精神是彌足珍貴的。

六、結束語

《模擬電子技術基礎》課程是眾多電子類、通信類、控制類專業的重要核心課程。二極管是該課程的核心內容之一。在本部分深入挖掘思政元素，加強立德樹人的教育，對于學生自身的發展大有裨益。本文從科技強國的責任感培養、矛盾多樣性、量變質變規律、創業激勵和大國工匠精神6個方面進行了思政元素的初步挖掘，希望能夠促進《模擬電子技術基礎》課程的思政建設。

參考文獻：

[1]習近平.把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報，2016-12-9.

[2]王建國，翟麗紅.模擬電子技術課程思政建設探究[J].西部素質教育，2019，5（5）：40+45.

[3]劉濤，牛慧芳.模擬電子技術課程思政建設探究[J].教育現代化，2019，6（58）：214-215.

[4]翁蕓.《模擬電子技術與實踐》課程思政的探索[J].教育現代化，2019，6（31）：198-200.

[5]任偉.“汽車電工與電子技術基礎”課程思政教學實踐[J].工業技術與職業教育，2019，17（2）：21-22.

[6]張國琴.電子技術“課程思政”教學實踐和探索[J].課程教育研究，2018（46）：238-239.

基金項目：國家自然科學基金資助項目“多主體光纖光柵智能健康監測系統自修復模型構建及其協作決策機制研究”（編號：61603324）;信陽師范學院2019年度“課程思政”示范課程建設項目“模擬電子技術基礎”（編號：XYSY2019KCSZ05）

作者簡介：陳新武（1969-），男，漢族，河南修武人，博士，教授，研究方向：模式識別。