高中物理集成電路教學拓展

尹若童

(四川大學物理科學與技術學院，四川 成都 610065)

在目前這個高度電子化的信息社會,集成電路已經滲透進國民經濟和社會發展的方方面面,小到電視機、計算機、手機等電子產品,大到航空航天、醫療衛生、交通運輸等大型設備,都離不開它的快速發展．

集成電路技術即采用一定的工藝,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,制作在半導體晶片或介質基片上,最后進行封裝,成為可以實現指定電路功能的微型結構．

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.這一部分的教學可以搭建高中物理和現代科技前沿的橋梁．教師應該扎根于課本,在介紹集成電路發展歷史的同時,讓學生了解與此相關的基礎知識和基本概念,并進行一定的提升拓展,就可以為學生的科學創新及思維拓展打下一定的基礎.

1 集成電路發展史

1947年,AT&T貝爾(Bell)實驗室的兩位科學家John Bardeen(約翰·巴頓)和Walter Brattain(華特·布萊登)展示了一個由鍺(第一代半導體材料)制成的固態電子元器件,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)推導出了雙載流子晶體管的工作原理,并于同年發表了晶體管理論,同時預測了一種更容易量產的晶體管,即面接觸式雙載流子晶體管．

圖2 3位發明者: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人因為晶體管的發明而獲得了諾貝爾物理學獎(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

高中物理要求學生在學習過程中逐步形成“四個維度”的核心素養:物理觀念和應用、科學探究和交流、科學思維和創新、科學態度和責任．通過學習知道物理研究是一項創造性工作,正確認識科學的本質,具有使用多種手段設計實驗、追求創新的能力,進而培養學生的好奇心和求知欲．集成電路的這一部分教學在提升學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 數字集成電路的處理及拓展

現代信息技術的發展以數字信號為主要特征,主要通過數字集成電路來對計算機、手機等電子產品進行處理．在數字集成電路中通常以布爾運算作為信號運算的基礎,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．

在人教版物理選修3-1第2章恒定電流第10節“簡單邏輯電路”中,主要對數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,課后習題部分也要求學生能夠辨別并進行簡單的設計應用．但課本沒有對邏輯門的內部構造進行詳細講解,教師在教學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”設計時,可以通過CMOS實現.如圖4所示，使用CMOS實現時,將PMOS與NMOS串聯,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導通,輸入高電平時NMOS導通,反之截止．因此,當輸入電壓為低電平時,NMOS截止,PMOS導通,輸出電壓與電源電位相同,為高電平;當輸入電壓為高電平時時,NMOS導通,PMOS截止,輸出電壓與地電位相同,為低電平．因此實現了邏輯非的功能,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,輸入輸出量為連續變化的模擬值,即信號的電平值代表著電路中的具體數值,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,為了實現集成電路的設計與制作,又對基本元器件如晶體管、普通二極管、發光二極管等進行了進一步介紹,并涉及較復雜電路的組裝問題．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,讓學生初步接觸模擬電路中波形的產生與觀察．

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

圖6

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

3 總結

集成電路技術已經戲劇性地改變了我們的生活,在可以預見的未來,由于集成電路產業的發展與進步,可以實現從汽車、電視、手機到航空航天的全部更新換代．半導體集成電路技術推動了電子產品的小型化、信息化和智能化進程,他徹底改變了人類的生活方式,成為支撐現代化技術發展的基石．

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