朱麗華, 陳心怡

(池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 池州 247000)

0 引 言

電子信息產(chǎn)業(yè)是實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、加快轉(zhuǎn)型升級(jí)、培育發(fā)展新動(dòng)能的重要支撐。如何緊貼地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展打造優(yōu)勢(shì)專業(yè)群,構(gòu)建電子信息類專業(yè)新型人才培養(yǎng)模式,探索課程改革與地方產(chǎn)教融合的契合點(diǎn),體現(xiàn)校地校企耦合發(fā)展、共同打造高技能人才培養(yǎng)基地。王蓉等提出基于實(shí)踐的電子電路翻轉(zhuǎn)課堂建設(shè),探究在翻轉(zhuǎn)課程的建設(shè)過(guò)程中,如何把理論和實(shí)踐課完全融合,以在線課程資源為基礎(chǔ),把理論的重、難點(diǎn)知識(shí)以實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容展現(xiàn),并將其作為翻轉(zhuǎn)課程研討的主要內(nèi)容[1-2];王亞林等將電子技能大賽內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)作為仿真實(shí)踐項(xiàng)目,提出工程認(rèn)證下電子實(shí)踐課的研究與探索[3],現(xiàn)基于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀和職業(yè)院校人才培養(yǎng)實(shí)際,提出了基于虛擬仿真的電子技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐。

1 建立面向虛擬仿真的成果導(dǎo)向體系

因地制宜創(chuàng)新教學(xué)教法,電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)模式總體框架:首先確定專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),然后根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)確定課程體系,最后確定課程體系的實(shí)施和保障機(jī)制。這些過(guò)程都在企業(yè)的直接或間接參與下進(jìn)行[4]。依據(jù)圖1從外部產(chǎn)業(yè)需求和內(nèi)部學(xué)校定位確定培養(yǎng)目標(biāo),搭建教學(xué)對(duì)象、教學(xué)支撐、教學(xué)過(guò)程、教學(xué)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的閉環(huán)課程體系,構(gòu)建基于成果導(dǎo)向(OBE)的教學(xué)模式,即確定教學(xué)目標(biāo)、改進(jìn)教學(xué)方法、完善考核評(píng)價(jià)等[5]。

圖1 課程體系構(gòu)建

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

為了展示虛擬仿真教學(xué)的過(guò)程和效果,現(xiàn)以半導(dǎo)體的虛擬制作仿真項(xiàng)目——雙極型晶體管制作與性能測(cè)試為例,虛擬仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程分為:虛擬仿真制造和虛擬仿真測(cè)試兩個(gè)部分。讓學(xué)生通過(guò)真實(shí)的仿真過(guò)程,對(duì)雙極性晶體管的制造工藝有深刻的理解,對(duì)進(jìn)一步掌握半導(dǎo)體相關(guān)性能知識(shí)點(diǎn)起到促進(jìn)作用。一般在理論授課的基礎(chǔ)上,充分利用網(wǎng)絡(luò)等資源,積極借助教學(xué)仿真軟件及教學(xué)實(shí)訓(xùn)手段,達(dá)到教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)。

2.1 虛擬仿真制造

在課程設(shè)計(jì)中,抓住高職學(xué)生對(duì)理論知識(shí)興趣點(diǎn)低、實(shí)踐能力強(qiáng)的特點(diǎn),匹配教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容,對(duì)接池州半導(dǎo)體企業(yè)建立課程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。在課程教授的過(guò)程中,鑒于微電子工藝技術(shù)需要專用設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐,設(shè)備價(jià)格高昂且實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一,課程采用電子信息仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和HSLab軟件進(jìn)行微電子制造工藝仿真實(shí)訓(xùn)。

2.1.1 制作參數(shù)要求

利用實(shí)訓(xùn)設(shè)備制作一個(gè)具備電流放大功能的NPN型管,需注意以下幾點(diǎn):

(1)基極所在的阱區(qū)位置只能在集電極和發(fā)射極中間。

(2)集電極、基極和發(fā)射極所在襯底的摻雜濃度需滿足NPN摻雜極性。

(3)各個(gè)極的深度滿足:集電極的深度大于基區(qū)深度,基區(qū)深度大于發(fā)射極深度,發(fā)射區(qū)深度大于0。

(4)集電極、基極和發(fā)射極所在襯底表面摻雜濃度滿足:N到P到N的連續(xù)變化。

2.1.2 工藝仿真制作過(guò)程

根據(jù)雙極型晶體管的工藝要求,在多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái),選擇本實(shí)驗(yàn)課程:微電子工藝教學(xué),如圖2所示。再打開HSLab軟件進(jìn)行制作。

圖2 平臺(tái)選擇課程

(1)制作N型集電區(qū)

N型集電區(qū)的制作分為兩個(gè)步驟,首先通過(guò)離子注入的方法注入N型離子。注入N型離子磷,具體參數(shù)為:注入劑量為1e14cm-2,注入能量為50kev,注入角度為0度,注入結(jié)果如圖3所示。離子注入后,需要通過(guò)退火來(lái)激活離子,并修復(fù)晶格損傷,退火時(shí)間為30min,退火溫度為1000℃,退火后的集電區(qū)摻雜如圖4所示。

(2)制作P型基區(qū)

P型基區(qū)制作分三個(gè)步驟進(jìn)行,首先進(jìn)行沉積掩蔽層操作,沉積材料為氮化層,沉積厚度為0.1μm,結(jié)果如圖5所示,其次進(jìn)行P型基區(qū)的光刻,光刻窗口設(shè)置為x1=0.4,x2=0.9.光刻材料為沉積的掩蔽層,光刻后的效果如圖6所示。接下來(lái),進(jìn)行基區(qū)離子注入操作,注入P型離子硼,注入劑量為1e14cm-2,注入能量為30kev,注入角度為0°,注入后的硼摻雜結(jié)果如圖7所示。最后,將掩蔽氮化層全部刻蝕掉,刻蝕的厚度為之前的沉積厚度0.1μm,刻蝕后通過(guò)退火激活離子并修復(fù)離子注入的晶格損傷,退火時(shí)間為1min,退火溫度為1000℃,退火后的P型硼摻雜如圖8所示。

圖3 注入N型離子磷

圖4 退火后集電區(qū)摻雜圖

圖5 沉積掩蔽層

(3)制作N+型發(fā)射區(qū)

N+型發(fā)射區(qū)的制作與第二部分類似,首先,光刻的位置為N+型發(fā)射區(qū)的位置0.7-0.8μm。故光刻參數(shù)為x1=0.7,x2=0.8。其次,注入的雜質(zhì)為N型雜質(zhì)磷,摻雜濃度為5e14cm-2,能量為10kev,角度為0度。最終的發(fā)射區(qū)N+磷摻雜情況如圖9所示。從圖中可看出,該摻雜滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 P型基區(qū)的光刻

圖7 注入P型離子硼

(4)制作N+型集電區(qū)和P+型基區(qū)歐姆接觸

N+型集電區(qū)和P+型基區(qū)歐姆接觸的制作過(guò)程與第三部分類似,光刻窗口分別設(shè)計(jì)在集電極窗口所在位置0.1-0.2μm和0.5-0.6μm,光刻的參數(shù)分別為為x1=0.1μm, x2=0.2μm和x1=0.5μm. x2=0.6μm。磷離子注入后的摻雜情況如圖14左所示,硼離子摻雜情況如圖10右所示?？梢钥吹?左邊紅色區(qū)域?yàn)榧姌O所在位置,右邊紅色區(qū)域?yàn)榘l(fā)射極所在位置,該摻雜滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

圖8 退火后的基區(qū)摻雜圖

圖9 發(fā)射區(qū)N+磷摻雜情況

(5)制作C (集電極)、B (基極)、E (發(fā)射極)三端金屬電極

圖11 金屬電極光刻效果

圖12 電勢(shì)分布

上述過(guò)程為前道工序(FEOL),現(xiàn)進(jìn)行后道工序(BEOL),即金屬電極的制作,根據(jù)當(dāng)前的器件結(jié)構(gòu),先沉積0.1um的氧化層作為介質(zhì)絕緣層,再進(jìn)行介質(zhì)層和電極的光刻,最后光刻的效果如圖11所示,電勢(shì)分布如圖12所示。那么,至此雙極型晶體管整個(gè)制作工藝流程就完成了。

圖13 NPN型和PNP型的晶體管

圖14 晶體管參數(shù)表

圖15 晶體管放大特性

圖16 晶體管阻抗特性

2.2 虛擬仿真測(cè)試

為了探究雙極型晶體管特性,先利用HSLab軟件中兩種NPN型和PNP型的晶體管,如圖13所示,選擇NPN型晶體管,其特性如圖14晶體管參數(shù)表所示,通過(guò)調(diào)節(jié)正向放大系數(shù)BF,可觀察其放大特性的變化情況,如圖15所示。在三極管的理論知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中,要三極管具有放大特性,必須要滿足兩個(gè)條件:

(1)發(fā)射結(jié)正偏:UBE>0。

(2)集電結(jié)反偏:UBC<0,通常用UCE>UBE來(lái)表示。 顯然,3個(gè)電極的電位關(guān)系為VE

晶體管放大倍數(shù)須滿足:β≈IC/IB。晶體管的阻抗特性是指基極電阻、集電極電阻和發(fā)射極電阻對(duì)輸入特性的影響,在本仿真實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射極電阻和基極電阻,可觀察其阻抗特性的變化對(duì)于器件輸入特性的影響,如圖16所示。通過(guò)仿真軟件HSLab演示雙極型晶體管特性實(shí)驗(yàn),讓抽象的晶體管特性具體化,仿真過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)部分參數(shù),觀察其特性變化。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)職業(yè)院校電子信息類專業(yè)教學(xué)與一線產(chǎn)業(yè)需求存在脫節(jié),現(xiàn)有教學(xué)設(shè)施跟不上新技術(shù)、新工藝等,提出閉環(huán)課程體系下的虛擬仿真教學(xué)改革,即專業(yè)人才培養(yǎng)方案應(yīng)耦合地方產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展,課程標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)同步于人才培養(yǎng)方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整,探索將虛擬仿真技術(shù)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目引入課程教學(xué)。虛擬仿真數(shù)據(jù)模型和場(chǎng)景來(lái)自于工業(yè)界,最大程度與產(chǎn)業(yè)界接軌,基于工業(yè)級(jí)器件、工藝和電路的虛擬仿真器,可進(jìn)行真實(shí)器件特性和工藝特性的模擬,學(xué)生在仿真過(guò)程中可以調(diào)整相關(guān)設(shè)置和參數(shù),避免傳統(tǒng)虛擬仿真過(guò)程單一化、簡(jiǎn)單化,實(shí)訓(xùn)結(jié)果理想化的問(wèn)題,進(jìn)而探索了職業(yè)院校培養(yǎng)技能型人才的方法途徑,仿真平臺(tái)還可以繼續(xù)延伸至信息化教學(xué),適應(yīng)了線上教學(xué)的需求。