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    微電子學課程群實驗教學改革探索

    來源:UC論文網2016-06-27 15:30

    摘要:

    針對目前高校微電子學課程群實驗教學中存在的問題與不足,從實驗教學平臺搭建、實驗內容組織、實驗教學過程管理與考核3個方面進行了詳細研究與探索,提出具有本專業特色的教學

      1.背景介紹
     
      目前我國高校微電子培養的規模上已取得很大的突破。一些地方本科院校也逐漸開展了微電子學人才培養工作。微電子學專業對于大部分高校還是比較新的專業,具有一定的特殊性,在實際人才培養中還存在很多困難和課題。其中主突出的課題是實踐教學環節的開展,主要存在3個問題:①實驗室建設和管理水平停留在較低水平,無法滿足實際教學需要,這是一些院校中普遍存在的現象,亟待改進;②實驗實踐內容組織分散,缺少系統化,達不到實踐能力培養的要求;③實踐教學過程管理松散,實踐教學考核隨意,缺乏科學性。
     
      本文將闡述作者在工作單位常州工學院開展的微電子學實踐教學改革與實踐探索。常州工學院地處長江三角洲經濟帶,周邊滬寧杭地區微電子產業非常發達,微電子技術人才需求量大,因此我校從2004年開設了電子科學與技術專業,方向為微電子學方向。人才培養規格為具有扎實的理論基礎和寬廣的知識面,掌握微電子學的基本理論和基本方法,具備集成電路分析與設計、集成電路設計工程項目管理、集成電路測試、系統集成與應用,新型半導體器件、半導體材料的設計與制造,半導體新工藝研發及測試的必備知識和能力、具有創新意識的復合型工程應用技術人才。在專業開辦初期幾年,筆者與同事在教學中認識到微電子學課程群實踐教學改革的迫切性,在“用型本科微電子人才培養模式創新實驗基地”教學改革的項目的支持下,針對以上3個問題,開展了一系列的實踐教學改革,進行了有益的探索。
     
      2.實驗教學改革措施
     
      2.1科學合理建設高水平的微電子學專業實驗室
     
      “工欲善其事,必先利其器”。微電子學的專業實驗室建設是對很多高校來說還是有一定困難的。主要原因是微電子工藝方面的實驗設備昂貴,升級換代快,日常維護成本高,但是又必須開展這方面的實驗,所以在建設實驗室時我們采取如下措施。
     
      (1)加強虛擬化,創建高水平的實驗仿真設計工作站。工藝材料和半導體器件以及集成電路的仿真都可以在虛擬實驗工作站完成,既解決工藝設備昂貴問題,又具有很高的靈活性。隨著高性能服務器的采購成本不斷下降,當前一臺DELLPower-Edge720的服務器采購價在人民幣3萬元左右,以我校集成電路設計實驗為例,通過4臺服務器組建Linux集群,通過客戶端可以提供80人登錄仿真能力,投人成本在可承受范圍。現在的設計工具套件功能非常強大。根據微電子課程群實驗教學要求,采用SentaurusTCAD和Silvaco用于工藝和器件仿真參數提取;利用Cadence定制集成電路設計套件完成模擬集成電路的設計和仿真等實驗,利用Synopsys設計工具完成數字集成系統的設計和仿真,并使用MentorGraphics的Calibre工具進行參數提取和設計規則檢查等。這些都是目前工業界的主流設計工具,可以通過大學計劃簽訂正式協議獲得使用版權。通過與國內半導體代工廠簽訂保密協議,獲得中芯國際、上華CSMC的工藝庫,可以完成工藝器件、模擬集成電路設計、數字集成設計的從前端到后端的完整的流程。為了防止學生之間抄襲,保證實驗數據安全,盡量不要讓多個學生使用公共賬號登陸,給每個學生分配一個獨立的帳號,在整個大學期間每個學生的數據(包括畢業設計相關文件)都自動保存在自己的帳號里,因此需要安排專門的Linux工作站系統管理人員負責系統的日常維護和運行,我們是通過編寫特定的管理程序來提高效率。為了提高實驗室設備利用率,還可以通過虛擬網絡連到自習教室,便于學生課余使用,真正做到了實驗室開放。這樣的虛擬設計工作站既便與集中管理,又便于升級,非常靈活。
     
      (2)依托實驗中心平臺,合理規劃硬件實驗設備的建設,注重資源共享。微電子學是一門實踐動手能力要求很高的學科。虛擬工作站可以讓學生了解系統的工作原理,但是還需要學生加強真實工作環境的對系統的感性認知,否則學生會產生“仿而不真”或“虛而不實”的疑慮。因此,部分實驗特別是專業基礎階段仍然需要在真實實驗平臺來完成。我們借助學院的省級電工電子實驗中心的豐富的實驗設備完成電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、信號與系統基礎課程群的實驗。專業方向課程群平臺教學階段,我們相應建設了半導體器件與工藝實驗室、集成電路測試實驗室。半導體器件與工藝實驗室擁有馬弗爐、高精度恒溫箱、探針臺、超聲波清洗設備、顯影系統、平面工藝實驗系統與平面工藝參數測試系統,其中平面工藝實驗系統開展硼擴、磷擴、氧化、清洗、光刻、金屬化等實驗,平面工藝參數測試系統開展方塊電阻、I一V測試、膜厚度測試及其他器件參數測試,實驗課程系統配有完善的實驗教材和講義,幫助學生完成微電子器件和工藝課程群的實驗教學;通過共享利用光電中心的磁控娥射系統完成半導體薄膜實驗。這些實驗主要是以演示為主,學生通過教師演示會直觀地了解實驗實驗內容的工作原理,因此實驗設備通常以一至兩套為宜。
     
      2.1科學組織實驗內容,加強課程群實驗內容內在邏輯性和系統性
     
      微電子學的特點是專業跨度大,涉及物理學、電子材料與器件、信息處理科學等學科,可開展的實驗內容很多[4]。因此在實驗內容上要科學規劃,既要針對人才培養的核心能力要求來組織,又要加強實驗內容內在的邏輯性和系統性,即按照人才培養的能力目標這條主線貫穿實驗組織過程,這樣可以確保人才實踐能力得到有效的訓練,而不能本末倒置,按照擁有儀器設備來組織內容的[5]。本專業的微電子課程群包含“模擬集成電路設計”“數字集成電路設計”“集成電路測試原理”等課程,以“模擬集成電路設計”的實驗內容安排為例,這門課程的目標是要求學生掌握MOS晶體管的模型,基本電路單元的靜態傳輸特性和瞬態分析、基本偏置電路設計、層次化設計、版圖設計、基本數字單元的設計等基本分析和設計能力。因此在實驗安排上我們分別安排了如下實驗:MOS-IV曲線特性、反相器的瞬態和傳輸特性、基于參數倍乘的基準自偏置電路的設計與仿真、層次化設計、二級運算放大器的設計與仿真、D觸發器的設計與仿真、基本數字單元的版圖設計等實驗。這些實驗內容涵由易人難,承前啟后,系統涵蓋了模擬集成電路設計基本的能力要求;同樣以“數字集成電路設計”課程為例,我們八位全加器設計例,分別設計基于VerilogHDL的八位全加器的設計與仿真、全加器的設計的邏輯綜合、全加設計門級后仿真、形式性驗證、布局布線、時序分析等實驗,這些實驗基本是按照現在數字系統設計中的主要流程開展的,也是數字系統設計必須掌握的內容,前后相互聯系,自成系統。同樣在“集成電路測試原理”課程實驗組織中我們也是按照這種思路安排實驗的,分別安排了模擬電路和數字電路的測試方案,為了增加實驗的直觀體驗,我們專門設計并封裝帶測試引腳的運算放大器用于開展靜態測試、直流增益、交流小信號增益、交流特性測試等實驗。通過逐年的內容微調該課程群實驗內容已趨于系統完善,顯著地提高了實驗教學的效果。
     
      2.3嚴格規范實驗教學管理過程,科學量化實驗考核
     
      實驗教學一個理論聯系實際的完整的教學環節,因此必須規范實驗的管理過程才能達到實驗教學的目的。從筆者的教學經驗來看,目前的實驗教學中長期存在一個普遍問題:很多學生實驗前不做實驗預習工作,因此不清楚實驗的目的和內容,只能機械地對照實驗指導書按步驟操作,不能把實驗內容和課堂所學的理論內容聯系起來,相當一部分學生甚至不會判斷實驗結果正確與否,對實驗指導老師的提問左顧而言他,答非所問,實驗報告基本上是復制一部分實驗指導書內容加上計算機拷屏結果,沒有任何分析計算過程和心得總結,這樣的實驗教學根本無法達到教學目標,所以必須從實驗管理過程和考核結果上進行改革。
     
      針對實驗教學暴露出來的問題,常州工學院電子科學與技術專業提出嚴格規范實驗教學管理過程,科學量化實驗考核的改革措施。學生實驗前必須充分預習實驗內容,進行隨機抽查,對驗證性實驗能明確預測實驗結果,對創新型實驗要制定完整的實驗方案。實行每人一個獨立帳號,保護數據,防止拷貝抄襲。系統設定計時系統,記錄實驗完成的時間,作為實驗考核的參考。實驗的考核上分別對實驗預習、實驗答辯、實驗報告分別進行量化,實驗答辯的權重提升到實驗總成績的60%,實驗報告成績為30%,實驗預習為10%,特別是突出了實驗答辯的重要性,所有實驗都要必須進行現場答辯,提出兩到三個問題,根據回答問題情況和試驗結果演示情況確定答辯成績,實驗答辯成績具有一票否決性,即只要實驗答辯成績不及格,本實驗總評不及格,這樣有效促使學生在實驗過程中主動思考,做到理論聯系實際,避免了實驗中的抄襲現象和盲目性,從根本上提高了實驗開展質量。
     
      3.總結
     
      實驗教學是微電子學課程群的重要教學環節,實驗教學的質量決定人才培養質量。常州工學院電子科學與技術專業經過幾年實踐探索,在實驗教學平臺搭建、實驗內容組織、實驗教學過程管理與考核3個方面提出具有本專業特色的實驗教學體系,取得顯著實踐教學改革成效。
     
                                                                                                     董良威,劉龍春,王東東
                                                                                               (常州工學院電氣與光電工程學院)

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