半导体物理课程中数字逻辑电路实验的教学研究李慧婷摘要本文针对半导体物理课程中实验教学改革问题，提出了基于数字逻辑电路设计的实验教学改革方案。通过利用QuartusⅡ可编程逻辑器件设计软件中的模块图设计方法（BlockDiagram）来设计组合逻辑电路，使得学生在实验过程中进一步掌握二进制算法、数据延迟、数据跳变等现象。从而激发学生的半导体物理课程的学习积极性，综合提高半导体器件的作用机理、制造工艺等基本知识能力和半导体集成芯片设计能力。关键词半导体物理;半导体器件;数字逻辑电路;QuartusⅡ：G451.2：ADOI：10.19694/jki.issn2095-2457.2020.07.0300前言半导体物理课程是介绍半导体材料的晶体结构、表面结构和性质、半导体与金属界面的性质、半导体器件的作用机理和制造工艺等。由于讲授内容比较零散，实验设备比较昂贵等原因，面向本科生难以开展基础实验教学。本论文通过引入基于QuartusⅡ软件的模块图设计方法，提出数字组合逻辑电路的实验教学方案。通过使用不同数量的逻辑门电路、串联和并联结构的组合逻辑电路设计等，综合分析组合逻辑电路的耗电量、延迟时间、数据跳变、干扰等现象，并结合半导体材料的理论知识，进一步探索半导体材料的基本特性和二进制逻辑算法在人工智能环境下面临的科学问题。1半导体物理课程分用半导体材料来实现的集成芯片是智能手机、电视、汽车等电子设备中必不可少的核心零部件。在日常生活中我们经常使用以上电子设备，同时大学课堂上也学过半导体相关的理论知识，因此大学生对半导体材料具有一定的专业基础知识[1]。但是要具体学习集成芯片设计内容，需要提前学习数字电路与逻辑设计、数字信号处理、FPGA设计等基础课程。从物理学专业层面，难以给学生设置以上基础课程，并在半导体物理课程中重点讲授半导体材料的基本特性和应用概况。半导体材料的基本特性可以从量子力学和凝聚态物理等领域进行分析[2-3]。从量子力学角度，分析半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布及运动规律，分析半导体材料中的电荷输运现象和光、热、磁、压阻等各种物理现象。但是难以实现量子实验，难以利用现用的半导体芯片的基本设计原理和量子力学的理论分析相结合。从凝聚态物理角度，分析凝聚态物质结构间的相互作用和粒子的运动规律、动力学过程以及它们与物理性质之间的联系等半导体表面物性。虽然可以利用扫描隧道显微镜（STM）等实验设备来对半导体材料表面特性进行实验验证，但难以实现面向本科生的验证性、设计性实验。在讲授半导体物理课程内容过程中，引用大量的原理图和集成芯片图形来讲授半导体材料的基础内容和应用前景。但课程设置中难以设置实验教学内容，因此存在理论内容和实际应用脱离的现象。2基于QuartusⅡ软件的数字逻辑电路实验课程设计数字逻辑电路实验可以利用74LS系列常用芯片来实现的验证性实验和基于QuartusⅡ软件的设计性综合实验来完成[4-5]。长期以来，数字逻辑电路实验是基于数字电路与逻辑设计课程的基础上开设的实验教学内容，数字电路与逻辑设计课程的理论教学学时设置为48-64学时，实验教学学时设置为8-16学时。主要利用基于数字电路实验箱和74LS系列芯片来设计组合逻辑电路并进行验证性实验。基于QuartusⅡ软件的组合逻辑电路设计性综合实验是初步掌握QuartusⅡ软件的操作流程之后设计基本的组合逻辑电路，通过选择不同类型的半导体集成芯片，可以综合分析半导体集成芯片的占用面积、运算时间、延迟时间、数据跳变、噪音等实验现象。从而客观说明半导体物理课程中的半导体材料组合原理、电导能力、电荷运输等物理现象。QuartusII软件是Altera公司开发的系统级芯片设计（Systemonachip）综合开发系统，仿真结果中直接体现逻辑门电路的使用数量、耗电量和延迟时间等。QuartusII软件不仅支持VHDL和VerilogHDL等专用语言，可以利用与或非等逻辑门电路来直观设计组合逻辑电路。由于半导体物理课程的教学学时有限，難以给学生讲授VerilogHDL等专用语言，因此可以利用QuartusII软件内涵的原理图模块（BlockDiagram）设计功能来开设半导体芯片的部分数字电路实验课程。通过数字逻辑电路的设计和...