“半导体功率器件”课程教学改革的实践与探索
吴丽娟，陈家祺，丁启林，黄也，朱琳，邹望辉，白创，蒋琳嫒
（长沙理工大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙）
摘 要： 功率电子学是一门包含用功率半导体器件进行功率变换和控制的新技术的学科，同时也是多项高新技术的基础。作为信息产业和传统产业的主要接口，功率电子学在我国国民经济中起着举足轻重的作用，具有十分显著的经济效益。在其研究生的教学过程中，本文将在7个方面进行课程教学改革与探索：讲课内容、课堂讨论、习题课、现场教学、实验课内容与方法、大作业、课程设计内容与进度。
关键词： 半导体功率器件；教学内容与要求；教学改革
为了响应习主席的号召，强我“中国芯”,在湖南、武汉、重庆等地早已进行了对器件的科研攻坚。而且为了防止国外对我国进行技术封锁和经济制裁，提高我国自身的科研实力才是根本的解决之道。[1]“半导体功率器件”又是电子科学与技术研究生的专业必修课。功率半导体将“粗电”变为“精电”以适合使用。在信息时代，功率半导体广泛应用于国民经济建设之中，几乎乃是一切部门的重要组成部分和不可替代的基础性产品。功率半导体是弱电控制强电的桥梁，信息技术与传统产业的接口，功率半导体的应用是信息技术提升传统产业的必由之路。[2]功率半导体又是现代军工的依托，对提高我国现代化战争和国防独立有重要意义。如此看来发展功率半导体所具有的重要意义再如何强调都不过分。国民经济迅速发展，各领域所需功率半导体既需要庞大的数量又需要精密质量，并且乃是军工所需的重要产品，绝不能受制于人。对此，对“半导体功率器件”课程进行了教学内容与要求的改革势在必行。
[4] 季国兴：《南海航行自由原则的歧义及增进信任措施》，《上海交通大学学报(哲学社会科学版)》2005年第4期，第9-13页。
一 讲课内容
讲课内容主要内容包括：第1章概述。第2章器件及制造、应用基础 ：开关控制和变换原理； 物理基础与晶闸管的基本特性。第3章功率电子器件基础器件：不控型器件；半控型器件；全控型器件。第4章电力电子集成技术：功率集成电路、智能功率模块；半导体脉冲功率器件新材料 ：SiC、GaN材料及器件。这些内容大都适合课堂教学，其中个别内容可以抽出作为如下6个方面的教学内容。
二 课堂讨论
图1 功率半导体器件分类[3]
在其课堂讨论环节，会把研究生分成5-6个小组，就每章中的某部分内容进行分组讨论如下所示，然后在讨论时间结束后，由组里派出一名代表代表全组阐述其讨论的结果。
2．1 西城区2007－2011年新生儿CH、PKU筛查及发病情况 西城区5家助产机构全部开展新生儿疾病筛查工作，近5年分娩量逐渐增加，筛查率也逐年升高，差异具有统计学意义。5年间共确诊CH患儿21名，发病率1∶2 060，PKU患儿8例，发病率1∶5 408，不同年份间差异无统计学意义。见表1。
三 习题课
大作业和课程设计内容与进度，会结合目前功率器件设计最流行的几组软件。1、利用MEDICI软件进行功率器件结构的仿真；2、利用Mathematica软件进行功率器件的模型计算。3、利用TSUPREM-4软件完成功率器件结构工艺仿真。4、利用CADENCE软件设计功率器件结构的版图。希望研究生通过仿真达到的水平如下：
由老师和各种现场打分，评教，并针对知识点，当堂纠正，帮同学们理清每种功率器件的工作原理。
半导体器件可以开出如下几个实验。其中晶体管寄生电容的测量：学会c-v测试仪的测量方法，通过实验了解晶体管寄生电容的变化。晶体管特性的测量与分析：弄清晶体管主要参数的物理意义和使用图示仪的基本方法。测试样品为3DK4DJ，弄清这两类器件的类型和引脚。测量该晶体管的输出特性曲线，在VCE为10V、第六级曲线处求电流放大倍数β(交流)、HFE(直流)。用转移特性曲线再次测量这两个参数，将两次结果进行对比。测量晶体管的极限参数BVebo、BVceo、BVcbo。将测试结果和测试条件列表表示并与标准参数进行比较,看看所测的器件是否合格。通过几个实验，验证课堂教学的效果，增强研究生的动手能力，能更深刻的体会功率器件的工作原理。
四 现场教学
在现场教学部分，会根据以前的分组，就GTO、GTR、MOS、IGBT四类功率器件，抽出其机理的一小部分，做一个15-20分钟的现场教学，讲透其工作原理。如MOS结构机理图所示：
图2 MOS结构机理图[4]
二极管的作业：1.几种二极管的主要额定值和特性；2.为什么要用FSRD作高频开关的续流管？软度因子定义？3.肖特基及保护类器件的结构和工作机理。4.了解单晶材料、工艺与测试中的有关问题。晶闸管的作业：1.一台加热装置的调功系统使用的是型号为KP200-10的器件,每一支路中用两只该器件反并联组成交流开关形式。假定现在要改换为双向晶闸管，问每个支路的KS器件至少要选取有效值电流大于多少的才行；2.试求波长λ=0.6μm的光子对应的能量Eg。(常数c、h请自己查表)
五 实验课内容与方法
颜晓晨默默坐下，脑子里一直回想着刚才几个女生说的话。关于她私生活混乱的传言，她已经不是第一次听到，自从她大二开始在酒吧打工，就有了这说法，最夸张的版本是说她在外面坐台。不过，说她死皮赖脸地追沈侯，却是第一次听到，毕竟她和沈侯这个学期才在一起，总共在一起的时间还不到两个月。老师开始讲课，颜晓晨却没有听课。
近几年的花生市场一直处于疲软状态，价位也一直不理想。自9月下旬以来，随着各地新花生集中上市，市场供应量逐步增加，国内花生市场总体呈现震荡偏弱的格局，市场价格同比均出现一定的下降，农户收益收窄。当前国内花生价格依然处于近年来相对较低的一个水平。
六 大作业和课程设计内容与进度
每章结束后，都有相应的习题，开始新的一章前都要对前一章的习题花一小节课的时间（45分钟）进行讲解。对几类关键的功率器件：二极管、晶闸管、GTO、GTR、MOS、IGBT。
结构仿真的结果：
图3 功率器件结构仿真
工艺仿真的结果：
图4 功率器件工艺设计
版图设计如下：
图5 功率器件版图设计
半导体功率器件是电子科学与技术一门重要的专业基础课。采用多媒体教学，课堂讲授结合讨论、模拟和数字电路案例教学和研究性教学。要求研究生掌握几类关键的功率器件：二极管、晶闸管、GTO、GTR、MOS、IGBT的基本原理和工作特性的基本知识、基本原理。希望学生学习本课程后，通过对几类关键的功率器件的基本原理和工作特性的了解，为进一步学习有关器件的专门知识及其他器件准备好必要条件。培养学生分析问题、解决问题的能力。掌握几类关键的功率器件的原理和特性为下一步的数字集成电路、模拟集成电路、射频集成电路和片上系统的学习打下器件的基础。
参考文献
[1] 王聪,唐玲,杨舰.“半导体器件物理”课程的高职教育现状及教学改革探究[J].高教学刊,2017(15)：174-176.
[2] 段理,张亚辉,樊继斌,等.《半导体材料及器件》教学改革与实践[J].教育教学论坛,2017(04)：169-170.
[3] 陈星弼.功率MOSFET与高压集成电路[M].江苏：东南大学出版社，1990.
[4] 陈星弼.微电子器件[M].北京：电子工业出版社，2011.
Practice and Exploration of Curriculum Teaching Reform of Semiconductor Power Device
WU Li-juan, CHEN Jia-qi, DING Qi-lin, HUANG Ye, ZHU Lin, ZOU Wang-hui, BAI Chuang, JIANG Lin-yuan
(School of Physics and Electronic Science, Changsha University of Science and Technology, Changsha, Hunan)
Abstract： Power electronics is a discipline that not only involves in the new technologies of power conversion and control using power semiconductor devices, but also fundamentally concerns about a number of high-tech technologies. As the main interface between the information industry and traditional industries，the power electronics which plays a decisive role in China’s national economy brings significant economic benefits. In the teaching process of graduate students, this paper will carry out curriculum reform and exploration in 7 aspects: lecture content, class discussion, exercise class, on-site teaching,experimental course content and method, big homework, course design content and progress.
Key words： Semiconductor power device; Teaching content and requirements; Teaching reform
本文引用格式： 吴丽娟，等.“半导体功率器件”课程教学改革的实践与探索[J]. 教育现代化,2019,6(61)：43-45.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.61.017
基金项目： “湖南省学位与研究生教育教学改革研究课题省级重点项目”，项目编号：JG2018A025 ；“长沙理工大学教学改革研究项目的研究成果”，项目编号：JG1666。
作者简介： 吴丽娟，女，汉族，四川乐山人，长沙理工大学物理与电子科学学院，副教授；陈家祺，男，汉族，湖南长沙人，长沙理工大学硕士研究生。