《微電子器件》教學中的模擬與設計論文
《微電子器件》教學中的模擬與設計論文
本文討論了動畫模擬與設計在微電子器件教學中的應用，分析微電子器件的工作原理，使用3DMAX軟件制作進行模擬與仿真，展示器件工作的三維動畫的實現過程與方法，提出了從模型的建立、材質的設計，到模型動態變化、攝像機拍攝過程的制作的一系列設計方法和技巧。并討論了增強三維動畫對放大原理的表現能力的手段，對微電子器件進行了完善、直觀的描述，有利于教學效果的提高。
一、介紹
微電子器件的發展，使信號的傳輸、處理、存儲能夠同時在半導體晶片上實現，在集成電路領域具有廣泛的應用及發展前景[1]，也是高校信息類一門很重要的課程。但微電子器件的知識涉及到半導體物理、固體物理、晶體管原理等多方面的內容，內容的繁多與抽象常常使得學生難以理解。因此有必要在現有的基礎上更深入地理解微電子器件的原理和制備工藝，并以三維模擬的形式進行直觀的表現。
在三維動畫的模擬與仿真中，通過三維動畫的形式對所要表現的對象進行模擬，連續播放一系列畫面，給視覺造成連續變化的圖畫，不會出現停頓現象[2]。使用三維動畫所制作的作品具有立體感覺，而不再是平面地表現的動畫新形式。寫實能力增強，表現力也非常大，使一些結構復雜的形體，如器件內部結構、工作原理等更加清晰地表現出來。另外，三維動畫的清晰度非常高，色彩飽和度好，具有非常強的視覺沖擊力和很好的畫面視覺效果[3]。在教學中應用時能增強教學效果。
二、微電子器件的工作原理及其模擬設計與研究
(一)微電子器件的工作原理分析
微電子器件可以實現小電流控制大電流，小信號變為大信號。教學內容包括正確的電路接法、信號的放大與控制、系統設計等。從電路方面來說，微電子器件有很多接法。如雙極晶體管(BJT)中就有共射、共集、共基等連接。這些接法都是二端口網絡，有輸入端口和輸出端口。電路理論可以從KCL和KVL的觀點來研究電流、電壓和功率，分析時將電路網絡分成一個個環路來分析電流、電壓。所謂信號放大，包括電壓信號、電流信號或功率的放大。共射、共集電路是電流信號的放大，共基電路是功率的放大。以共射接法的雙極晶體管為例。由KCL理論，可將電路中的電流看成輸入回路電流和輸出回路電流著兩支。在電路理論中只用受控電流源符號來表示雙極晶體管。于是，雙極晶體管共射連接時為什么實現信號放大的問題變成了其共射連接時，為什么輸出回路電流Iout能夠等比例地放大輸入回路電流Iin[4]。
從半導體物理來看，微電子器件的核心就是pn結。Pn結的作用是“正向偏壓導通，反向偏壓截止[5]”。在共射連接下是發射結正偏，集電結反偏。大多數教材都說明了由于少子擴散長度遠大于基區寬度，大部分由發射區擴散過來的少子來不及復合就已到達基區的集電結邊緣，由于集電結的反向偏壓，勢壘區有較強的內建電場，少子便在電場下漂移至集電區[6]。但很少有教材說明 “反偏”的集電結為什么會有大的“正向”電流?其實這里面隱含著一個系統層級的問題。一個線性時不變系統就是無論在何時，對于給定的輸入信號，能夠產生固定的輸出信號，且與之前狀態無關。正常直流工作中的BJT是一個線性時不變系統(以下簡稱系統)。單獨的pn結也是一個系統。若BJT僅僅是兩個pn結子系統組成的一個大系統，則不會有信號放大功能。原因便是無論何時，無論之前處于何種狀態，pn結子系統保持“正向偏壓導通，方向偏壓”截止的功能。于是由于及電解反偏，集電極將不會有電流流出。所以BJT絕不是單純的兩個pn結背對背地連接在一起，而是兩個pn結“耦合”在一起，融合成新系統，具有新功能。大量的空穴從發射區擴散至基區后，影響了基區原來的載流子系統的熱平衡并影響內部的電場，從直觀上看，大量空穴注入基區，以至于在正常工作中，基區的少子空穴實際上長期多于電子，且基區所帶凈電荷長期為正。
基區復合電流和從基極電極注入電子的電流直接影響電子準費米能級。電極與基區半導體形成歐姆接觸，兩邊電子處于同一費米能級，且接觸電阻很低，只要基區中電子濃度一減少，導致費米能級有些許下降，歐姆接觸兩邊費米能級差將使金屬費米海中的電子馬上涌入基區的“小河” 中，填補被復合的電子。基區復合電流很小，存儲電荷對基區多子準費米能級幾乎沒有影響。
考察基區存儲電荷對內部電場的影響。根據一般教科書中的資料，只要BJT還沒進入飽和工作區，集電結總是有足夠的能力將基區集電結邊緣處的非平衡少子(空穴)吸收干凈。并將此作為邊界條件直接給出。如果我們假設空穴在集電結電場下的平均速度V漂 遠高于空穴擴散流平均速度 V擴，那么這個結論是可以簡單證明的。假設集電結邊界處非平衡少子濃度為p(0),時間△t間，從基區擴散至邊界的少子濃度為p(-△x)* V擴，從邊界漂移進勢壘區的少子濃度為p(0)* V漂。平衡時，p(-△x)*V擴 = p(0)*V漂，若 V漂>>V擴，則p(-△x)>> p(0)，可以近似認為p(0)=0。在集電結反向偏壓下，經過集電結勢壘區電場加速的空穴比起在擴散中前進的空穴平均速度應該是大很多倍，所以儲存電荷全部集中在狹窄的基區中，對BJT的性能有一定影響。
由于基區帶有凈的正電荷，將使基區電位抬高，勢必加強集電結勢壘區的反向電場，增強發射結勢壘區電場強度，從而減緩發射區空穴注入速度，加快集電區吸收空穴速度。一方面，存儲電荷會降低在相同正向偏壓下發射結電流強度，相當于使結電阻增大。另一方面，在偏壓不變的情況下，基區存儲電荷量會自動達到一個上限值，所以它對BJT性能的影響是有限的。
要回答為什么輸出回路電流Iout能夠等比例地放大輸入回路電流Iin，實際上還隱含一個問題，對比函數式Iout=βIin，這個函數式蘊含的信息明顯少于信號圖所蘊含的信息，即信號的流向。可以用因果關系來解釋信號的流向，Iin的改變是因，Iout的變化是果。Iin與Iout是同時變化的，時間上有先后并不是因果關系的必然特征，關鍵是非對稱的可控性。即：以Iin作為輸入，Iout作為輸出時，BJT是輸出可控系統;以Iout作為輸入，Iin作為輸出時，BJT是輸出不可控系統。所以，只用物理說明了Iin與Iout成固定比例還不夠，還應該說明為什么Iin能夠控制Iout。在共射連接中，由于輸入電壓信號直接加在發射結上，從而直接控制了Iin和Iout;而輸出電壓加在發射極和集電極兩端，不能直接控制發射結電壓，因為Vbc是自由的。至此由信號輸入端可以控制信號輸出端。
(二)微電子器件的模擬與研究
1.任務分塊
將任務分成四部分：第一部分展現微電子晶體管在正常偏壓下的能帶圖;第二部分展現載流子和空穴如何在五個區域(發射區、基區、集電區、發射結勢壘區、集電結勢壘區)運動，并展現特性參數定義以及放大系數公式;第三部分直觀展現微電子器件的放大原理。
2. 微電子器件的動畫展示
作為設計的開始部分，要制作出pnp管模型、解說板、能帶圖以及攝像機拍攝方案。模型的制作分兩步，先做出立體幾何模型，再制作各部分的材質。
(1)pnp管模型
如圖2-1所示，立體模型部分分半導體部分和電極部分。半導體部分采用五個長方體表示五個區，即發射區、發射結勢壘區、基區、集電結勢壘區、集電區。三個電極用長方體加細長圓柱形引線以及引線一端的小球構成。全部幾何體都是經“創建基本體”中的“標準基本體”建立的。
立體幾何模型建立好后，便對每個對象指定材質。指定材質而非直接選擇顏色，是為了對模型材質有更好的管理和更強的表現力。
(2)解說板
解說板必需能夠跟隨攝像機同步移動，這里采取的技巧是運用“從屬連接”將解說板設置為攝像機的子對象，攝像機移動會帶動解說板移動，而對解說板的移動操作變成為對于攝像機的相對移動。這個技巧還解決了解說板隱藏與出現的問題。由于解說板的關鍵幀記錄的是相對于攝像機的移動，只需調整解說板在攝像機的攝像范圍中的位置高低即可實現隱藏與出現。在3DMAX軟件中實際上并不能復制關鍵幀，但可以移動關鍵幀。用“插入關鍵幀”按鈕在這段中設置關鍵幀，再將這個關鍵幀移動到要用的地方。運用這個技巧，將解說板上的說明文字設置成從屬于解說板，可跟隨解說板移動了。處理解說板上文字更換的問題采用了“后臺堆放區”的技巧。將不出現的文字對象放在攝像機視界之外的一個區域，這個區域就相當于戲劇中的后臺，到該文字對象出場時則在一幀之內移動到出現位置，同時將退場對象移至“后臺”。
(3)能帶圖
如圖2-2所示，能帶圖出現在展示板上，但不同于文字，它需要用線條畫出來。通過“布爾運算”實現點劃線圖形。“布爾運算”操作可以對兩個對象進行取并集、交集、差集變換。創建一個相當于橡皮擦的長方體，用布爾運算將曲線減去長方體即可變成斷開的曲線，通過多次的斷開即變成點劃線。
(4)攝像機拍攝方案
3DMAX中攝像機有兩種，目標攝像機和自由攝像機。本設計中使用目標攝像機，視野45度的鏡頭，易于控制。
先展示pnp模型，從前視拍攝轉移到俯視拍攝，從遠景轉移到近景，同時標題板和說明板亮相和退場。
再展示能帶圖。由于能帶圖比較占面積，將攝像機目標上移，騰出位置讓能帶圖從上方進入攝像機視界。能帶圖退場后目標回到原先位置。
3.內部電流展示部分
(1)內部電流展示
使用3DMAX中的粒子系統表現載流子的運動從而表現電流。其好處在于能夠更好地展示載流子擴散、漂移、復合、產生等微觀機制，更深入地表現BJT內部各電流的機理。然而缺陷也是十分明顯的，即缺乏電流的直觀表現力，過于復雜化，且粒子系統在視口和渲染時耗費大量CPU計算量。因此，在模擬中采用箭頭的運動示意載流子的運動。創建一個矩形作為箭身，創建一個正方形作為箭頭，使用旋轉工具將它旋轉45度，使用對齊工具將它的中心與箭身的一邊對齊。進入修改欄，去掉半邊正方形成為三角形，并把交疊處的線去掉，至此箭頭平面圖形已建立。將兩部分組成組，占用CPU運算量少。將表面和側面分別指派不同的子材質，調節透明度和高光反射值。空穴流向用紫色玻璃材質，電子流向用淺藍玻璃材質。模型做好后，進行動畫的制作。主要是分四步：①發射區空穴擴散至基區以后，基區電子擴散至發射區并與空穴復合轉換成空穴電流。②基區空穴繼續擴散至基區與集電結勢壘區邊界同時有少量空穴與基區電子復合形成基區復合電流Irb。③勢壘區邊界空穴被集電結電場掃至集電區。④集電結勢壘區兩邊的產生電流形成Icbo。
表現載流子的運動主要通過縮放箭頭的長度來實現。并用不同粗細的箭頭來表現電流的強弱。在每一步展示載流子運動的同時，還要伴隨著解說板的解說。最后還要將各電流的符號標出。
(2)特性參數以及放大系數公式的展示
將攝像機及其目標向下平移，pnp模型將移到攝像機視口的上方，下方則騰出更多空間給解說板，同時再將解說板向上平移以展示更多面積。
在代數表達式的書寫方面，由于3DMAX的Text對象不能顯示Mathtype這種專門軟件輸出的數學表達式，所以所有分式只能寫在在一行內，且上標和下標都不能在同一個Text對象中寫出。然而有非用上標不可的情況，如基區輸運系數β0* ，若無上標則成了另一個參數指標β0 ，即共射極直流放大系數。這種情況的處理方法是再建立一個Text對象，內容便是“*”，將其縮放到適當大小，移至 β0的右上方即可。然而不可用這種方法處理太多的上下標，因為這樣做將增加很多個Text對象，由于Text對象在視口顯示以及渲染中都十分占用CPU資源，過多的Text對象將使3DMAX軟件難以運行，且使渲染輸出時間變得更加漫長。
4.放大原理直觀展示部分
直觀展示pnp放大原理需從輸入電流環路及輸出電流環路的角度出發，解釋發射結和集電結分別對這兩個環路電流的影響從而得出BJT將輸入電流放大成輸出電流的結論。所以，這部分應分兩步：①展示輸入電流、輸出電流與內部電流的聯系，展現輸入電流主要成分是發射結電子擴散電流，輸出電流主要成分是發射結空穴擴散電流。②分別展示兩個結的作用。
(1)輸入輸出電流的展示
先說明輸入電流主要成分是發射結電子擴散電流，輸出電流主要成分是發射結空穴擴散電流。方法是直接將除發射結電子、空穴擴散電流之外的所有電流及他們的text標示隱去，調整這兩個電流箭頭的大小和位置，即：將空穴擴散電流Iep延伸至集電極，將電子擴散電流Ien的根部延伸至基極的中央。同時要調整攝像機及其目標：由于上一部分特性參數以及放大系數公式的展示中將pnp模型移至視口上邊，這時就應將模型重新移至視口中央;為了展示輸入電流和輸出電流回路，還需將攝像機拉遠，以騰出更大的空間范圍。
然后用橙色箭頭表示輸入電流，綠色箭頭表示輸出電流，它們在pnp體內的部分將覆蓋原來的Iep和Ien電流箭頭。箭頭繞回路生長，四個箭頭首尾相接組成一個電流回路。
(2)兩個結作用的展示
在這里主要是做出發射結勢壘區或集電結勢壘區閃爍的效果。首先想到的手段是通過改變材質，使連個勢壘區的顏色變化，然而在實際操作中發現這個方法完全不可行。因為似乎材質關鍵幀根本不記錄顏色的變化信息，而且材質中的自發光只增強物體的亮度，不能出現物體周圍有輝光的效果。
如圖2-5所示，這里本動畫中運用了“偷梁換柱”的方法。制作出各自比發射結勢壘區和集電結勢壘區的尺寸稍大一點的長方體，材質選用與之前勢壘區的顏色有很大對比的紅色，然后讓紅色勢壘區覆蓋原勢壘區一秒，離開一秒，再覆蓋一秒，離開一秒，如此循環，則可表現出勢壘區在閃爍的效果。
三、學生的反饋
該設計模塊在過去的3年中已經在兩個本科生班中運行。大多數的學生表明有一個互動工具使得學習變得簡單了，讓他們除了體會到了分析還有設計方面的工程。事實上，以往的教學風格和當前大量使用工程設計的例子之間的區別是存在課堂和功課上面的直觀理解。
四、結論
本文討論了微電子器件工作原理，探索了使用3DMAX軟件制作展示微電子器件放大原理三維動畫的實現過程與方法，提出了從模型的建立、材質的設計、到模型動態變化、攝像機拍攝過程的制作的一系列設計方法和技巧，并討論了增強三維動畫對放大原理的表現能力的手段。實現微電子器件的三維模擬、仿真、設計的結合。
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