CMOS反相器虛擬仿真實驗中的實踐研究與探討

張金燦 張羽 劉博 劉敏

摘? 要：CMOS反相器作為集成電路最基本的門電路，是電子科學與技術、電子信息工程、集成電路設計等專業(yè)學生的必備知識與技能。MOS反相器虛擬仿真實驗，以兩種MOS反相器設計對比為研究內容，既有線上操作、網絡答疑，又有線下指導。采用“貫通式”實驗教學和實驗過程“虛實結合”的實驗教學方法，有助于提高學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。

關鍵詞：實驗課改革? 反相器? 集成電路? 虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0223-03

Practical Research and Discussion on Virtual Simulation Experiment of CMOS Inverter

ZHANG Jincan1? ZHANG Yu2? LIU Bo1? LIU Min1

（1. Electrical Engineering College， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan Province， 471023 China;2. Foreign Languages College， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan Province， 471023? China）

Abstract： As the most basic gate circuit of integrated circuit， CMOS inverter is the necessary knowledge and skills for students majoring in Electronic Science and Technology， Electronic Information Engineering， Integrated Circuit Design， etc. The virtual simulation experiment of MOS inverter takes the design comparison of two kinds of MOS inverter as the research content， which includes online operation， network Q &A， and offline guidance. In order to improve the students' practical ability and innovative spirit， the "through" experimental teaching method and the "combination of virtual and real" experimental teaching method are adopted.

Key Words： Reform of experimental course; Inverter; Integrated circuit; Virtual simulation

集成電路產業(yè)是國民經濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)，是培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)、推動信息化和工業(yè)化深度融合的核心與基礎，是轉變經濟發(fā)展方式、調整產業(yè)結構、保障國家信息安全的重要支撐，其戰(zhàn)略地位日益凸顯[1-4]。未來5～10年是我國集成電路產業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期，也是產業(yè)發(fā)展的攻堅時期。

為了適應集成電路產業(yè)的發(fā)展要求，為集成電路企業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型高技術工程和管理人才，按照我校“厚基礎、寬口徑、重實踐、求創(chuàng)新、強素質”的人才培養(yǎng)理念，培養(yǎng)適應集成電路產業(yè)發(fā)展需求的實踐能力強、具有創(chuàng)新意識的高級應用型人才 。CMOS反相器作為集成電路領域的基礎器件，掌握其工作原理、設計、仿真與分析方法對于學生從事集成電路相關工作起著基礎性作用。

CMOS反相器作為集成電路最基本的門電路，是電子科學與技術、電子信息工程、集成電路設計等急需專業(yè)學生的必備知識與技能，實驗中為了提高學生的實踐能力和創(chuàng)新精神，設立了電阻型反相器以及CMOS反相器兩種反相器性能對比的比較實驗。在實驗教學中，以3D仿真以及動畫技術等信息技術為依托，促進學生對于該實驗項目的深入理解，該實驗項目以兩種MOS反相器設計對比為研究內容，既有線上操作、網絡答疑，又有線下指導。最終，通過虛擬仿真實驗環(huán)境，提升實踐教學質量，促進學生對于內容的理解，強化設計思維，培養(yǎng)工程實踐素養(yǎng)。

1? 實驗教學方法

為進一步提升教學效果，讓學生以盡可能短的時間學習掌握相關器件設計與仿真方法，采取以下實驗教學方法。

1.1 “貫通式”實驗教學

在長期的教學實踐中，形成了“貫通式”實驗教學模式。融會貫通是學習知識的上乘境界，也是教學工作所追求的目標[5-6]。本實驗項目屬于《集成電路設計基礎》課程，在電子科學與技術人才培養(yǎng)體系中，起著承接《電路分析》《模擬電子技術》《數字電子技術》等前導課程知識與技能，以及后續(xù)《集成電路工藝》《可編程邏輯器件》等后續(xù)課程的作用，實驗設計結果可用于后續(xù)實驗項目。

在實驗教學過程中，以最基礎的CMOS反相器設計為主要內容，采用“貫通式”實驗教學法，從底層基本的晶體管結構、工作原理，到其上層反相器的設計及特性規(guī)律，最終引導學生思考其在頂層電路中應用時的作用及影響，融合理論學習、設計實操、工程強化的一體化教學，同時嘗試采用“精講、演示、提問、提示、研討、評析”相貫通的新課程實驗教學方法，引導學生深入思考。建立一套完整的實驗教學管理平臺展開在線學習，可實現在線問答、測試成績大數據分析、學習方法交流、通知發(fā)放等互動功能。

1.2 實驗過程“虛實結合”

虛實結合的專業(yè)仿真工具學習，借助虛擬現實技術和在線教學平臺，將仿真過程涉及到的抽象理論、結果及實驗過程可視化，開發(fā)了3D虛擬模型，利于學生對設計過程和設計結果與器件內部物理特性之間建立聯系。

2? 實施過程

為了適應集成電路產業(yè)的發(fā)展要求，為IC企業(yè)培養(yǎng)高技術工程和管理人才，該實驗項目基于比較兩種反相器結構的優(yōu)缺點，在實驗過程中穿插知識點問答的案例互動式、研討式教學，鼓勵學生自主思考、自主解決問題。

本實驗項目可供學生通過管理平臺自主學習、實驗，不受時間、空間限制。管理平臺也可通過智能手機瀏覽，可使學生利用碎片化時間進行學習、實驗。只需通過管理平臺注冊用戶，審核通過后即可開展學習和實驗。實驗開始時，虛擬實驗任務通過在線實驗平臺下發(fā)到學生手中，當進行到相應的教學內容時要求學生提前做好預習。實驗完成時，虛擬實驗內容可通過管理平臺在線提交，還可參加在線測試，通過測試后，可獲得項認證證書。

實驗項目認證主要考察實驗預習、實驗過程與結果、在線測試等3個方面。評分標準如下：實驗預習及問題回答占20%;虛擬實驗每個步驟2分，10步虛擬實驗步驟共占總成績的40%;在線測試占40%。再根據學生的實驗效果和疑問，教師錄制相關“微課”進行講評與解答。

整個實驗過程通過老師演示、學生實操、過程考察、互動討論的四步實驗流程，基于課堂實際理論教學中的重點問題和案例，開展以學生為主，教師引導為輔的互動式、研討式實踐教學，積極推動學生的自主式、合作式、探究式學習。該實驗的具體實施流程和詳細實驗步驟如圖1所示。

3? 實施效果分析

該虛擬仿真實驗教學項目已在本校開展了10余年時間，面向電子信息科學與技術、電子科學與技術、電子信息工程、通信工程等多個相關專業(yè)數以千計的學生，學生對該實驗表現出了非常濃厚的學習興趣。

我校于2002年對“集成電路原理與設計”課程開展教學改革，對單純的課堂理論學習配套引入CMOS反相器虛擬仿真實驗。自從引入該虛擬仿真實驗內容以來，極大提高了學生學習興趣，課程不及格率持續(xù)下降，集成電路設計基礎課程的不及格率也由最高時的36%下降到10%左右。同時，整個實驗過程中，學生們對設計和仿真內容都非常積極自主，尤其對于實驗環(huán)節(jié)當中的問答題，都比較積極主動地思考，自主學習能力提高顯著。

通過該虛擬仿真實驗教學內容的開展，學生的創(chuàng)新實踐能力得到了有效提升。在“全國大學生電子設計競賽”“挑戰(zhàn)杯”等學科競賽中取得優(yōu)異成績，共獲得全國一等獎8項、二等獎17項、省級獎勵126項。

同時，該實驗項目已成為我校電子類專業(yè)在創(chuàng)新實踐教育體系中的重要一個節(jié)點，與課程設計、綜合訓練、大學生創(chuàng)新訓練計劃（SRTP）、大學生實踐計劃（SRPP）、學科競賽、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)相輔相成，提高了學生綜合素質和專業(yè)技能水平，在開展的全國電子信息技術專業(yè)資格水平評估考試（全國電子信息技術專業(yè)資格認證考試）中，學生取得良好成績，合格率達100%。

4? 結語

CMOS反相器虛擬仿真實驗為學生提供了一個虛擬仿真的集成電路設計平臺，該平臺先用通用的集成電路設計軟件，集合了電路設計以及性能仿真等操作。該仿真實驗既有線上操作、網絡答疑，又有線下指導。最終，通過虛擬仿真實驗環(huán)境，提升實踐教學質量，促進學生對于內容的理解，強化設計思維，培養(yǎng)工程實踐素養(yǎng)，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，還有助于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。

參考文獻

[1] D B Ruan， K S Chang-Liao， S H Yi， et al. Low equivalent oxide thickness and leakage current of pGe MOS device by removing low oxidation state in GeOx with H2 plasma treatment [J]. IEEE Electron Device Letters， 2020， 41（4）： 529-532.

[2] J R Nicholls， A M Vidarsson， D Haasmann， et al. Near-interface trap model for the low temperature conductance signal in SiC MOS capacitors with Nitrided gate oxides [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2020， 67（9）：3722-3728.

[3] 馬奎.集成電路的計算機輔助設計教學方法改革探索[J].教育教學論壇，2020（12）：125-127.

[4] 夏曉娟，方玉明，劉小花，等.集成電路設計實驗教學改革初探[J].科技視界，2020（4）：44-45.

[5] 曹磊，張亞楠，荊娟娟，等.新工科貫通式實踐教學方法探究[J].新課程研究，2019（5）：42-44.

[6] 管仲國，張超峰，阮欣.貫通式全過程課程設計教學與質量管理體系[J].教育教學論壇，2020（13）：1-3.