高中物理集成电路教学拓展

尹若童

(四川大学物理科学与技术学院，四川 成都 610065)

在目前这个高度电子化的信息社会,集成电路已经渗透进国民经济和社会发展的方方面面,小到电视机、计算机、手机等电子产品,大到航空航天、医疗卫生、交通运输等大型设备,都离不开它的快速发展．

集成电路技术即采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻和电容等元器件使用金属线连接起来,制作在半导体晶片或介质基片上,最后进行封装,成为可以实现指定电路功能的微型结构．

高中物理课本分别在选修3-1与3-2中对集成电路进行了初步的介绍.这一部分的教学可以搭建高中物理和现代科技前沿的桥梁．教师应该扎根于课本,在介绍集成电路发展历史的同时,让学生了解与此相关的基础知识和基本概念,并进行一定的提升拓展,就可以为学生的科学创新及思维拓展打下一定的基础.

1 集成电路发展史

1947年,AT&T贝尔(Bell)实验室的两位科学家John Bardeen(约翰·巴顿)和Walter Brattain(华特·布莱登)展示了一个由锗(第一代半导体材料)制成的固态电子元器件,这也是世界上最早的点接触型晶体管(图1)．

图1 世界上第一个点接触型晶体管

1949年William Shockley(威廉·肖克莱)推导出了双载流子晶体管的工作原理,并于同年发表了晶体管理论,同时预测了一种更容易量产的晶体管,即面接触式双载流子晶体管．

图2 3位发明者:威廉·肖克莱(最前方)、约翰·巴顿(左后方)、华特·布莱登(右后方)

1956年约翰·巴顿和华特·布莱登,威廉·肖克莱3人因为晶体管的发明而获得了诺贝尔物理学奖(图2)．

1957年,Jack Kilby(杰克·克毕)注意到可以将分离式元器件,如电阻器、电容器、二极管等做在同一片半导体衬底上,再将它们连接在一起组成完整电路,以提高集成度、制造出更小的电路来降低成本．

1958年,杰克·克毕利用一个锗条做成3个电阻器、一个电容器,利用细白金线连接晶体管、电容器和电阻器.这也就是世界上第一个集成电路(图3)．2000年,杰克·克毕由于这项重大成绩被授予诺贝尔物理学奖．

图3 世界上第一个集成电路

2 高中物理中的集成电路

高中物理要求学生在学习过程中逐步形成“四个维度”的核心素养:物理观念和应用、科学探究和交流、科学思维和创新、科学态度和责任．通过学习知道物理研究是一项创造性工作,正确认识科学的本质,具有使用多种手段设计实验、追求创新的能力,进而培养学生的好奇心和求知欲．集成电路的这一部分教学在提升学生的知识水平和动手能力方面,能起到很好的示范作用．

2.1 数字集成电路的处理及拓展

现代信息技术的发展以数字信号为主要特征,主要通过数字集成电路来对计算机、手机等电子产品进行处理．在数字集成电路中通常以布尔运算作为信号运算的基础,输入输出均采用二进制,通过“1”“0”来分别表示信号的高电平与低电平状态．

在人教版物理选修3-1第2章恒定电流第10节“简单逻辑电路”中,主要对数字电路最基本的逻辑电路——门电路进行研究．在正文部分,主

要介绍了“与”“或”“非”三种基本逻辑门的逻辑功能及表示方法,课后习题部分也要求学生能够辨别并进行简单的设计应用．但课本没有对逻辑门的内部构造进行详细讲解,教师在教学过程中可以对逻辑门的工作原理进行一定的拓展．

例如,在进行“非门”设计时,可以通过CMOS实现.如图4所示，使用CMOS实现时,将PMOS与NMOS串联,两管的栅极相连作为输入端,两管的漏极相连作为输出端．NMOS的源极接地,PMOS的源极接电源．由PMOS与NMOS特性可知,输入低电平时PMOS导通,输入高电平时NMOS导通,反之截止．因此,当输入电压为低电平时,NMOS截止,PMOS导通,输出电压与电源电位相同,为高电平;当输入电压为高电平时时,NMOS导通,PMOS截止,输出电压与地电位相同,为低电平．因此实现了逻辑非的功能,即输入输出反相．

图4

2.2 模拟集成电路的处理及拓展

模拟集成电路的信号以10进制的模拟运算为基础,输入输出量为连续变化的模拟值,即信号的电平值代表着电路中的具体数值,而非高低电平的指代．

图5

在物理选修3-1中了解了电阻、电容等元器件后,在人教版物理选修3-2第6章传感器中,为了实现集成电路的设计与制作,又对基本元器件如晶体管、普通二极管、发光二极管等进行了进一步介绍,并涉及较复杂电路的组装问题．在这里,教师可以就课本对于集成电路实验板(即面包板)的介绍进行一定的拓展,让学生初步接触模拟电路中波形的产生与观察．

例如设计一个带有三角波发生器的滤波系统,在电路原理图进行如图5设计后搭建面包板如图6所示.

图6

然而对于稍微复杂一些的电路,不同逻辑门的组合会导致工作效率的下降,为了解决这一问题,集成电路也就应运而生．它不仅实现了体积以及重量的缩小,也实现了速度和性能的提升,逐渐成为现代科技发展的基石．

3 总结

集成电路技术已经戏剧性地改变了我们的生活,在可以预见的未来,由于集成电路产业的发展与进步,可以实现从汽车、电视、手机到航空航天的全部更新换代．半导体集成电路技术推动了电子产品的小型化、信息化和智能化进程,他彻底改变了人类的生活方式,成为支撑现代化技术发展的基石．

面对日新月异的国际社会、愈发激烈的国际竞争,基础教育肩负着科技强国的巨大责任,只有长期重视基础科学研究,才有科技的强大,才有国家的强大．因此,高中物理教学就必须要重视与科技前沿的衔接,努力培养学生成为拥有科学素养和求知欲的高水平人才．