场效应晶体管虚拟仿真实验教学资源建设

当前社会已经进入了信息时代，信息时代的标志是以计算机和互联网等信息技术的广泛应用. 而信息技术的基石是微电子技术. 进入21世纪以来，我国把发展微电子技术放到了国家战略地位，从2000年的18号文，到2010年的4号文，一直到2015年的《国家集成电路产业发展推进纲要》，国家出台了一系列的政策和措施推动微电子技术的发展[1].

人才的极度缺乏是当前我国微电子领域面临的主要问题之一[2]. 为此，从本世纪起，各大高校开始大力加强微电子人才的培养，许多学校都开设了微电子专业或集成电路工程专业，2015年，教育部出台了在高校建设示范微电子学院的文件，掀起了微电子人才培养的又一个高潮.

微电子技术的核心是集成电路技术，而集成电路技术的发展是以MOS(Metal-oxide-semiconductor)场效应晶体管的出现和集成化为基础[3-4]. 当前，MOS场效应晶体管的特征尺寸遵循摩尔定律迅速变小，已经由微米进入了纳米时代，MOS场效应晶体管的性能是决定集成电路性能的关键因素. 因此，MOS场效应晶体管的设计、制造和测试技术是微电子专业人才培养的必须环节. 但是由于MOS场效应管的制造和测试需要几十步工序和上百台设备，并且必须在超净环境下进行，普通高等学校很难有财力来建设和维持大规模的超净生产线，如何让学生在不具备实际加工和测试条件下学习MOS场效应晶体管的设计、制造和测试，是大多数高校微电子专业实验教学面临的难题.

半导体器件的虚拟制造和虚拟测试技术是近10年来微电子工业界和学术界发展起来的新技术. 虚拟制造是借助计算机仿真技术，研究给定的器件结构、工艺步骤和工艺参量的条件下半导体器件内部的结构变化和杂质分布，并在计算机上完成晶体管的虚拟加工过程；虚拟测试是借助计算机仿真技术，通过求解器件内部物理方程，获得不同工作环境和偏置条件下半导体器件的各种工作特性，从而在计算机上完成晶体管性能的虚拟测量. 虚拟制造和虚拟测试技术已经成为微电子工业界和学术界开展微电子器件研究的必备手段.

南京邮电大学依托于信息电子技术国家级虚拟仿真实验教学中心[5-6]和电子科学与技术国家级实验教学示范中心，面向微电子专业学生，整合“半导体器件物理”、“集成电路工艺”、“集成电路与CAD”、“微电子器件设计”、“新型微电子器件”和“微电子专业实验”等6门课程中的相关知识点，引入工业界和学术界流行的虚拟制造和虚拟测试技术，开发MOS场效应晶体管虚拟仿真实验资源，为创新型、工程型和应用型的微电子专业人才培养提供优质的实验教学项目.

1 虚拟仿真实验的教学目标

虚拟仿真实验教学综合运用多媒体技术、仿真技术与网络通信技术等信息技术，结合仿真技术和虚拟现实技术，构建逼真的可视化实验环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全、经济的实验活动，从而达到提高自身实践能力的效果[7-13].

MOS场效应晶体管虚拟仿真实验教学资源是根据微电子方向教学目标和教学内容，利用现代信息技术，综合众多教学资源开发的教学系统[7]. 通过此系统，学生能够了解MOS场效应晶体管的制造工艺流程、工艺参量对器件结构和掺杂分布的影响，并掌握采用工艺仿真软件进行虚拟制造的方法，根据工艺要求编写相应的程序，通过优化工艺参量来实现特定的器件结构；了解MOS场效应晶体管的工作机理、器件结构参量对器件各种电学特性的影响关系，并掌握采用器件模拟软件进行虚拟测试的方法，编写电学特性测试的程序，选择正确的模型和求解方法，通过优化器件结构参量来获得所需要的器件性能指标；掌握工艺、器件和电路联合模拟的方法，并采用该方法进行材料和物理级的模拟和仿真；有利于培养学生综合运用所学多门课程的专业知识解决复杂科学问题和工程问题的能力，并在解决问题的过程中展现出创新意识和创新精神.

2 虚拟仿真实验教学设计

MOS场效应晶体管虚拟仿真实验教学资源引入了半导体器件的虚拟制造和虚拟测试理念，基于工艺仿真软件和器件模拟软件进行二次开发，包含教学管理、虚拟制造和虚拟测试3大部分，共17个模块，如图1所示. MOS场效应晶体管根据参与导电载流子类型分为NMOS和PMOS，两者互补组成CMOS(Complementary MOS).

图1 MOS场效应晶体管虚拟仿真实验资源架构

2.1 教学管理

教学管理部分共分为4个模块：基础知识测试模块、动画演示模块、实验过程管理模块与答疑讨论模块.

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2021/0222/486.html