指向性2D與3D圖形設(shè)計(jì)在器件物理課程中的應(yīng)用

陸建恩 黃瑋

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以圖形展示和表達(dá)為核心的計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的課堂教學(xué)中，收到了良好的效果。但在某些工科類課程中，如果不進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，則效果可能仍然不佳。試圖結(jié)合半導(dǎo)體器件物理課程中一些難以理解或表達(dá)的概念及物理過程，運(yùn)用二維（2D）和三維（3D）圖形進(jìn)行指向性設(shè)計(jì)，以深入揭示事物的內(nèi)涵或?qū)ο蟮倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律，并幫助學(xué)生作出正確且符合實(shí)際的理解。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?指向性;2D圖形設(shè)計(jì);3D圖形設(shè)計(jì);器件物理

[中圖分類號(hào)] ?G712 ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）13-0191-03

在平時(shí)的課堂教學(xué)過程中，我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情景，即對(duì)于一門課程中的某些概念或是某個(gè)物理過程，講課教師雖然花了很大的力氣并進(jìn)行了有意識(shí)的設(shè)計(jì)來講解或強(qiáng)調(diào)，但授課效果仍然不佳。許多學(xué)生根本沒有聽懂，仍然還是不理解，遇到習(xí)題照樣不會(huì)做。這樣的概念或是相關(guān)的物理過程，工科類專業(yè)的課程表現(xiàn)得尤其突出。也常常就在這個(gè)時(shí)候，我們總能聽到這樣的聲音，那就是“我所教的這個(gè)班的學(xué)生是如何如何的不行，就連這樣簡單的概念或原理也不懂！”

那么，問題究竟出在哪里？是學(xué)生出了問題，還是教師教學(xué)不適當(dāng)出了問題？我們先避開這兩者不談，先讓我們從公路邊豎著的那些普通交通標(biāo)志說起。

無論是城里的一條普通街道抑或是一條車來車往的高速公路，在道路的兩旁，我們總能見到各種各樣不同類型的交通標(biāo)志。即使對(duì)于一位從未經(jīng)過專門培訓(xùn)的普通人來說，對(duì)于其中的絕大多數(shù)交通標(biāo)志，一眼望去或許也能八九不離十地猜出它們中的多數(shù)標(biāo)志所要表達(dá)的具體含義。為什么能做到這樣呢？其原因就在于這些標(biāo)志所采用的指向性圖形設(shè)計(jì)。指向性圖形設(shè)計(jì)采用二維（即2D，Two Dimension）或三維（3D，Three Dimension）的簡約化圖形或者簡約化的圖案，并以突出事物的某個(gè)關(guān)鍵特征及結(jié)構(gòu)或是主要運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)為主題，讓人一眼便能很快地聯(lián)想起所面對(duì)的事物，或者洞察研究對(duì)象所隱藏的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣的圖形設(shè)計(jì)或圖案不僅抓住了事物的本質(zhì)，還極易留下深刻的印象，并且既容易理解又不易忘記。另外，從人們的認(rèn)知學(xué)角度考慮，圖形或圖案（包括它們所搭配的色彩）所表達(dá)的事物常常更直觀，包含的信息量也更大，也更容易被識(shí)別、接受或理解。

我多年從事高職微電子技術(shù)專業(yè)半導(dǎo)體器件物理課程的教學(xué)工作，該課程也是本專業(yè)十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。在本專業(yè)課程體系設(shè)計(jì)時(shí)，限于課程課時(shí)分配以及高職學(xué)生的生源特點(diǎn)，同時(shí)也考慮到職業(yè)教育突出應(yīng)用性、技能性的特點(diǎn)，而不考慮學(xué)科體系的完整性。因此，課程把屬于原來固體物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)等課程中的一部分必要的基礎(chǔ)知識(shí)一并放進(jìn)該課程中來進(jìn)行講授。作出這樣的安排，雖然滿足了有關(guān)課程在教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度上的互相銜接，但同時(shí)也給本課程的教學(xué)帶來了不小的難度。根據(jù)現(xiàn)今該課程的課程標(biāo)準(zhǔn)，從內(nèi)容安排上看，該課程重點(diǎn)討論了半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體晶體中的雜質(zhì)、載流子的運(yùn)動(dòng)、PN結(jié)、MOS結(jié)構(gòu)、雙極結(jié)型晶體管以及MOS場效應(yīng)晶體管等主要內(nèi)容。

本課程難學(xué)難懂，是長期以來該專業(yè)學(xué)生所反映出的共性問題。為了最大限度地幫助學(xué)生理解并掌握本課程中那些重要的物理概念和物理過程，經(jīng)過仔細(xì)研讀教材及多年實(shí)踐，我采用了上述所說的指向性2D與3D圖形設(shè)計(jì)方法，并盡可能在授課過程中將那些復(fù)雜的概念及物理過程的表達(dá)圖形化、形象化，經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，收到了良好的效果。下面，通過一些具體案例與大家分享。

一、案例1——PN結(jié)勢壘電容CT的充放電物理過程

該案例是一個(gè)典型的運(yùn)用2D指向性圖形設(shè)計(jì)，用來說明反偏PN結(jié)空間電荷區(qū)充放電的物理過程，如圖1所示。

這組2D平面設(shè)計(jì)圖構(gòu)圖的特點(diǎn)是分別表達(dá)了PN結(jié)處于反偏、反偏電壓上升以及反偏電壓下降等三種情形時(shí)，PN結(jié)空間電荷區(qū)以及電子和空穴載流子的運(yùn)動(dòng)情況。圖1（a）顯示了一支二極管（通常二極管由一個(gè)PN結(jié)直接構(gòu)成）所組成的反向偏置電路，其中VR是其所施加的反偏電壓，而△V或u則是VR的變化量，i表示充電電流及方向。圖1（b）則顯示了PN結(jié)的空間電荷區(qū)，其中“+”號(hào)表達(dá)施主正離子，而“-”號(hào)則表示受主負(fù)離子。圖1（c）中，實(shí)心的點(diǎn)則表示自由電子，它帶負(fù)電荷，而空心的圓圈則表示空穴，它帶正電荷。當(dāng)PN結(jié)反偏電壓VR增加時(shí)，空間電荷區(qū)需要作相應(yīng)的擴(kuò)展，即Xm變大，同時(shí)正施主電荷和負(fù)受主電荷也相應(yīng)增加，以平衡VR的增量。這時(shí)，就需要沿箭頭方向所示流走一部分自由電子及空穴，以滿足VR的增量，而電路中，電子流動(dòng)的方向即是電流的反方向，看起來圖中施主正電荷的增量和受主負(fù)電荷的增量可以認(rèn)為是i充電電流所致，這不僅形象還符合實(shí)際物理過程，學(xué)生非常容易理解和記憶?？梢姡撐锢磉^程中2D圖形設(shè)計(jì)及其構(gòu)圖技巧是關(guān)鍵。圖1（d）的情形反映了PN結(jié)放電的物理過程，分析類似。本組圖設(shè)計(jì)直觀明了，易于理解，令人印象深刻。它充分表達(dá)了PN結(jié)勢壘電容CT屬于微分電容這樣一個(gè)屬性，同時(shí)也顯示了當(dāng)反偏電壓VR上升時(shí)，CT下降這樣一個(gè)勢壘電容的特點(diǎn)。

二、案例2——晶體結(jié)構(gòu)中的晶面

在講述半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容時(shí)，將會(huì)涉及晶向、晶面以及晶面指數(shù)等固體物理學(xué)中的重要概念。然而，晶面的概念對(duì)于許多學(xué)生來講常常不能作正確的理解。我便考慮設(shè)計(jì)如下的3D指向性圖形進(jìn)行教學(xué)。

在圖2中，我們分別來觀察圖2（a）和圖2（b）兩個(gè)用于表達(dá)（110）晶面的3D指向性圖形。在圖2（a）中，由面心立方晶胞的四個(gè)頂角原子與上下兩個(gè)面心原子構(gòu)成的矩形表達(dá)了（110）晶面。但在理解上仍存在一定的局限性，原因是晶體中所指的“晶面”通常實(shí)質(zhì)上指的是一簇晶面，并且這一簇晶面可以包含數(shù)目極大個(gè)數(shù)的晶面，或者說是無窮多個(gè)晶面。在圖2（a）講解的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展到圖2（b）的3D表達(dá)，并且利用這種指向性圖形設(shè)計(jì)并結(jié)合多媒體技術(shù)，設(shè)計(jì)成可以將一個(gè)個(gè)晶面逐級(jí)“剝離”，然后進(jìn)行還原，則學(xué)生對(duì)一簇晶面的概念就十分容易建立了。作了這樣的3D圖形創(chuàng)意設(shè)計(jì)，晶體中晶面原子的面密度以及面間距的不同就十分容易看出，因而進(jìn)一步也就很容易地理解晶體的“各向異性”這個(gè)關(guān)于晶體的十分重要的概念了。

三、案例3——金剛石結(jié)構(gòu)晶體中立方晶胞位置的圖示

制造芯片的重要半導(dǎo)體材料如硅（Si）和鍺（Ge）等晶體，其結(jié)構(gòu)都屬于金剛石結(jié)構(gòu)，而金剛石結(jié)構(gòu)晶體則屬于典型的立方晶系晶體。但在金剛石晶體的立體結(jié)構(gòu)模型中，教學(xué)上如何表達(dá)出一個(gè)完整的立方晶胞，長期以來卻是一件難事。由此導(dǎo)致上課時(shí)，學(xué)生很難將金剛石結(jié)構(gòu)晶體與立方晶系掛起鉤來，進(jìn)而影響了對(duì)晶體整體結(jié)構(gòu)的理解。

采用指向性3D圖形設(shè)計(jì)，先繪制四層金剛石結(jié)構(gòu)的雙層原子面，如圖3所示，進(jìn)而在其中表達(dá)出一個(gè)完整的立方晶胞，則問題迎刃而解。

四、結(jié)語

在廣泛采用信息化手段進(jìn)行課堂教學(xué)的今天，以圖形展示與表達(dá)為核心的多媒體技術(shù)層出不窮。但圖形包括2D和3D圖形設(shè)計(jì)是否合理，能否真正傳達(dá)所要表達(dá)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵與特征，是影響教學(xué)成敗的關(guān)鍵。教師在深刻理解課程對(duì)象和所授主題的同時(shí)，適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用軟件進(jìn)行卓有成效的指向性2D與3D圖形設(shè)計(jì)，則常常能起到事半功倍的效果。

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編輯 馬燕萍