《電子學(xué)原理與應(yīng)用》編寫(xiě)特色

◆鮑 佳 麻壽光 杜晶晶

(浙江理工大學(xué)電子信息工程系)

《電子學(xué)原理與應(yīng)用》編寫(xiě)特色

◆鮑 佳 麻壽光 杜晶晶

(浙江理工大學(xué)電子信息工程系)

教材建設(shè)，是各項(xiàng)教學(xué)改革措施中非常重要的一環(huán)。根據(jù)一線教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)不夠扎實(shí)、工程概念不強(qiáng)、知識(shí)間相互聯(lián)系能力較弱等問(wèn)題，編寫(xiě)了《電子學(xué)原理與應(yīng)用》一書(shū)，從半導(dǎo)體材料的非線性特性入手，引入了迭代法等常用工程問(wèn)題的數(shù)值分析方法，并以實(shí)際工程案例為背景將原理－分析－設(shè)計(jì)串聯(lián)起來(lái)，同時(shí)加強(qiáng)了課程間的相互聯(lián)系，為寬口徑的培養(yǎng)方案奠定了厚實(shí)的基礎(chǔ)。

非線性特性 迭代分析 工程應(yīng)用

將近年來(lái)國(guó)內(nèi)電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科基礎(chǔ)課教材與美國(guó)同類(lèi)教材進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)國(guó)外同類(lèi)課程所用的教材比較重視基礎(chǔ)理論應(yīng)用的融匯貫通。相對(duì)而言，美國(guó)學(xué)生在本科階段所學(xué)基礎(chǔ)要扎實(shí)些，更強(qiáng)調(diào)將所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際工程問(wèn)題中去，用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)。而國(guó)內(nèi)的教材普遍強(qiáng)調(diào)易懂易學(xué)，有些基礎(chǔ)知識(shí)被簡(jiǎn)化，這可能會(huì)影響學(xué)生日后的發(fā)展。

比如，我校信息電子學(xué)院是大類(lèi)招生，所設(shè)置的基礎(chǔ)平臺(tái)課程有普通物理、高等數(shù)學(xué)、電路分析基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、工程電磁場(chǎng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、MATLAB等課程。但進(jìn)入電子信息基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)階段時(shí)，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理與應(yīng)用等課程時(shí)，所用的教材中一些通識(shí)性基礎(chǔ)知識(shí)重現(xiàn)率很低，或者被簡(jiǎn)化后失去原貌。容易給學(xué)生造成某些課程學(xué)而無(wú)用的印象。

我校電子信息工程專(zhuān)業(yè)是國(guó)家特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)，專(zhuān)業(yè)建設(shè)首先力求所用的教材有自己的特色?！峨娮訉W(xué)原理與應(yīng)用》是十一五國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，適用于本專(zhuān)業(yè)模擬電子技術(shù)課程，已于2011年1月由高教出版社出版，在編寫(xiě)該書(shū)時(shí)著重注意了以下一些問(wèn)題。

一、較全面介紹半導(dǎo)體材料特性

通常導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體是以材料的電導(dǎo)率來(lái)劃分，許多半導(dǎo)體器件的特性是由它的電導(dǎo)率σ來(lái)決定的，而σ與溫度和摻雜濃度有關(guān)。與其它教材不同，本書(shū)中給出了常溫下半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能和摻雜濃度的定量關(guān)系:

式(1)中的μn、μp分別表示電子和空穴的遷移率，而μn、μp是與摻雜濃度相關(guān)的非線性常數(shù)。有些教科書(shū)沒(méi)有說(shuō)明μn、μp的非線性特點(diǎn)，而是取μn=1400cm2/V.s和μp=500cm2/V.s這樣在本征硅中的典型參數(shù)，容易誤導(dǎo)學(xué)生。對(duì)于摻雜半導(dǎo)體，《電子學(xué)原理與應(yīng)用》一書(shū)用圖1表明了硅的不同摻雜濃度對(duì)μn、μp的影響，這樣技術(shù)上就比較完整，μn、μp可以用圖中的公式計(jì)算，使用時(shí)也可直接對(duì)照?qǐng)D1讀數(shù)，這種概念的建立對(duì)從事新型器件開(kāi)發(fā)的讀者掌握新器件制作技術(shù)是必要的。

比如，圖2(a)表示一個(gè)用PN結(jié)隔離的三極管剖面圖，而圖2(b)是廠家介紹的VMOS功率管的結(jié)構(gòu)原理，兩幅圖中都用 n+、n－、p、p+等標(biāo)明了各個(gè)工作區(qū)，但這樣的圖僅用于介紹管子的結(jié)構(gòu)和工作原理，并不能用于制作晶體管，只有知道n+、n－、p、p+的具體數(shù)值，才能掌握制造工藝，而要確定摻雜濃度數(shù)值，大部分情況下要根據(jù)各個(gè)區(qū)要求的電導(dǎo)率，這就需要從圖1與式(1)表達(dá)的最基本的物理特性出發(fā)，進(jìn)行分析。掌握這些基本原理就掌握了制造新器件基本思路。

只有了解了半導(dǎo)體器件的這些非線性特性，在以后的工程應(yīng)用中，對(duì)電子器件的“非理想”現(xiàn)象才能做出合理的解釋?zhuān)瑥亩业浇鉀Q問(wèn)題的辦法。

二、求解非線性問(wèn)題的迭代計(jì)算——數(shù)值解法

非線性是所有物理器件的基本特性，對(duì)于半導(dǎo)體器件尤為明顯。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，傳統(tǒng)的解析法使用受限制，回避這些問(wèn)題對(duì)拓寬讀者的思路無(wú)益，為此《電子學(xué)原理與應(yīng)用》一書(shū)在若干章節(jié)中加入了數(shù)值解法的實(shí)例。

例如，在上一節(jié)中提到的電導(dǎo)率與晶片摻雜濃度問(wèn)題。假定可用式(3)計(jì)算:

式(3)中σ與q是常數(shù)，而μn是摻雜濃度ND的函數(shù)，而關(guān)于函數(shù)的信息可以從圖1中得到。由于μn與μp是非線性的，要解決這種非線性問(wèn)題，用傳統(tǒng)的解析法就不是很便當(dāng)，通常采用迭代法可以有很好的效果。

利用圖表中的信息是工程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。解上面問(wèn)題用到數(shù)學(xué)與圖形兩方面的試湊－誤差逼近計(jì)算，初看起來(lái)似乎很麻煩，實(shí)際上因目前的計(jì)算工具，包括科學(xué)計(jì)算器都有強(qiáng)大的功能，解題過(guò)程還是方便的。

三、其它數(shù)學(xué)工具與技巧的應(yīng)用

除了迭代法，書(shū)中還介紹了很多其它數(shù)學(xué)工具與技巧的應(yīng)用。例如在第4章介紹了最壞情況分析法與蒙特卡羅分析法。最壞情況分析包含了全部極限條件，其結(jié)果可能顯示任意一個(gè)電路都不能可靠工作，但是全部參數(shù)為極限條件的概率是很低的。蒙特卡羅分析法是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，考慮最壞情況出現(xiàn)的概率，因?yàn)橐米銐蚨嗟臉颖?，用到MATLAB軟件編程計(jì)算，也為MATELAB課程找到一個(gè)工程應(yīng)用結(jié)合點(diǎn)。書(shū)中也給出了最壞情況分析與蒙特卡羅分析的實(shí)例。

第五章介紹了有關(guān)網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)的近似估算，一般而言對(duì)于傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式一元二次方程s2+A1s+A0=0的根稱(chēng)作網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)，計(jì)算極點(diǎn)可用求根公式如果A1、A0是一個(gè)純數(shù)字，這就是數(shù)學(xué)問(wèn)題，很容易求得極點(diǎn)。但是電網(wǎng)絡(luò)中A1、A0是由具體的具有物理意義的R、L、C元件的組合，工程上計(jì)算極點(diǎn)是希望通過(guò)極點(diǎn)找到解決問(wèn)題的方法，所以需要知道極點(diǎn)明確的物理意義。在某種條件下利用近似極點(diǎn)計(jì)算法，可確保物理意義明確。

四、以實(shí)際工程應(yīng)用研究為依托，闡明電子學(xué)原理的應(yīng)用技術(shù)

本書(shū)名為《電子學(xué)原理與應(yīng)用》，編者希望在闡明基本原理同時(shí)，力求在介紹原理的應(yīng)用方面有所突破。以第9章電子控制器件和電路的9.6節(jié)1kW功率以下三相逆變器應(yīng)用電路分析為例，作者主要講述了圖3電路各部分的設(shè)計(jì)原理。有經(jīng)驗(yàn)者看一眼該圖就可知，這是一個(gè)非常完整的實(shí)用三相逆變硬件電路。負(fù)責(zé)該部分內(nèi)容編寫(xiě)的作者兼任某電機(jī)股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，圖3所示的拓?fù)湓韺?shí)際上是公司看家產(chǎn)品硬件電路的主要組成部分。作者對(duì)不控整流器、功率驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)與保護(hù)、再生制動(dòng)四個(gè)部分做了極為詳細(xì)的分析，具有獨(dú)到的見(jiàn)解。以不控整流器為例，圖3輸入部分為何兩條輸入線上都接有熔斷器?如何選擇整流器件?如何選擇電容?如何選擇浪涌抑制電路與器件?作者不嫌其繁做了詳解。其余三個(gè)部分以相同的風(fēng)格撰寫(xiě)，言之鑿鑿，解釋準(zhǔn)確完備。因?yàn)閳D3是真實(shí)產(chǎn)品的一部分，經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)考驗(yàn)，所有工作狀態(tài)必須有預(yù)先估計(jì)，因此必須有過(guò)細(xì)的考慮，這實(shí)際上反映了作者多年的工作經(jīng)驗(yàn)。這種思想不限于正確理解圖3所示電路的工作原理。對(duì)所有的工程設(shè)計(jì)都是適用的。

五、結(jié)論

1.《電子學(xué)原理與應(yīng)用》不回避電子器件非線性本質(zhì)，若干處引入處理非線性問(wèn)題的迭代計(jì)算——數(shù)值求解方法，有利于培養(yǎng)讀者處理較為復(fù)雜問(wèn)題的能力。

2.部分章節(jié)設(shè)計(jì)了需用MATLAB解題的內(nèi)容便于課程體系內(nèi)容連貫，注意較新的通識(shí)課程內(nèi)容應(yīng)用于解決電子學(xué)的問(wèn)題，有利于鞏固通識(shí)課程內(nèi)容。

3.以作者工程應(yīng)用研究為依托，力求電子學(xué)原理應(yīng)用的講解有利于培養(yǎng)讀者解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。所用的實(shí)例有鮮明的工程背景，可操作性強(qiáng)。