《电子学原理与应用》编写特色

◆鲍 佳 麻寿光 杜晶晶

(浙江理工大学电子信息工程系)

《电子学原理与应用》编写特色

◆鲍 佳 麻寿光 杜晶晶

(浙江理工大学电子信息工程系)

教材建设，是各项教学改革措施中非常重要的一环。根据一线教学过程中发现的学生基础知识不够扎实、工程概念不强、知识间相互联系能力较弱等问题，编写了《电子学原理与应用》一书，从半导体材料的非线性特性入手，引入了迭代法等常用工程问题的数值分析方法，并以实际工程案例为背景将原理－分析－设计串联起来，同时加强了课程间的相互联系，为宽口径的培养方案奠定了厚实的基础。

非线性特性 迭代分析 工程应用

将近年来国内电子信息类专业本科基础课教材与美国同类教材进行对比，可发现国外同类课程所用的教材比较重视基础理论应用的融汇贯通。相对而言，美国学生在本科阶段所学基础要扎实些，更强调将所学的基础知识应用到解决实际工程问题中去，用于创新设计。而国内的教材普遍强调易懂易学，有些基础知识被简化，这可能会影响学生日后的发展。

比如，我校信息电子学院是大类招生，所设置的基础平台课程有普通物理、高等数学、电路分析基础、信号与系统、数字信号处理、工程电磁场、数据结构与算法、MATLAB等课程。但进入电子信息基础课程学习阶段时，如模拟电子技术、数字电子技术、微机原理与应用等课程时，所用的教材中一些通识性基础知识重现率很低，或者被简化后失去原貌。容易给学生造成某些课程学而无用的印象。

我校电子信息工程专业是国家特色专业建设点，专业建设首先力求所用的教材有自己的特色。《电子学原理与应用》是十一五国家级规划教材，适用于本专业模拟电子技术课程，已于2011年1月由高教出版社出版，在编写该书时着重注意了以下一些问题。

一、较全面介绍半导体材料特性

通常导体、半导体、绝缘体是以材料的电导率来划分，许多半导体器件的特性是由它的电导率σ来决定的，而σ与温度和掺杂浓度有关。与其它教材不同，本书中给出了常温下半导体材料导电性能和掺杂浓度的定量关系:

式(1)中的μn、μp分别表示电子和空穴的迁移率，而μn、μp是与掺杂浓度相关的非线性常数。有些教科书没有说明μn、μp的非线性特点，而是取μn=1400cm2/V.s和μp=500cm2/V.s这样在本征硅中的典型参数，容易误导学生。对于掺杂半导体，《电子学原理与应用》一书用图1表明了硅的不同掺杂浓度对μn、μp的影响，这样技术上就比较完整，μn、μp可以用图中的公式计算，使用时也可直接对照图1读数，这种概念的建立对从事新型器件开发的读者掌握新器件制作技术是必要的。

比如，图2(a)表示一个用PN结隔离的三极管剖面图，而图2(b)是厂家介绍的VMOS功率管的结构原理，两幅图中都用 n+、n－、p、p+等标明了各个工作区，但这样的图仅用于介绍管子的结构和工作原理，并不能用于制作晶体管，只有知道n+、n－、p、p+的具体数值，才能掌握制造工艺，而要确定掺杂浓度数值，大部分情况下要根据各个区要求的电导率，这就需要从图1与式(1)表达的最基本的物理特性出发，进行分析。掌握这些基本原理就掌握了制造新器件基本思路。

只有了解了半导体器件的这些非线性特性，在以后的工程应用中，对电子器件的“非理想”现象才能做出合理的解释，从而找到解决问题的办法。

二、求解非线性问题的迭代计算——数值解法

非线性是所有物理器件的基本特性，对于半导体器件尤为明显。对于这类问题，传统的解析法使用受限制，回避这些问题对拓宽读者的思路无益，为此《电子学原理与应用》一书在若干章节中加入了数值解法的实例。

例如，在上一节中提到的电导率与晶片掺杂浓度问题。假定可用式(3)计算:

式(3)中σ与q是常数，而μn是掺杂浓度ND的函数，而关于函数的信息可以从图1中得到。由于μn与μp是非线性的，要解决这种非线性问题，用传统的解析法就不是很便当，通常采用迭代法可以有很好的效果。

利用图表中的信息是工程中经常遇到的问题。解上面问题用到数学与图形两方面的试凑－误差逼近计算，初看起来似乎很麻烦，实际上因目前的计算工具，包括科学计算器都有强大的功能，解题过程还是方便的。

三、其它数学工具与技巧的应用

除了迭代法，书中还介绍了很多其它数学工具与技巧的应用。例如在第4章介绍了最坏情况分析法与蒙特卡罗分析法。最坏情况分析包含了全部极限条件，其结果可能显示任意一个电路都不能可靠工作，但是全部参数为极限条件的概率是很低的。蒙特卡罗分析法是从统计学角度出发，考虑最坏情况出现的概率，因为要用足够多的样本，用到MATLAB软件编程计算，也为MATELAB课程找到一个工程应用结合点。书中也给出了最坏情况分析与蒙特卡罗分析的实例。

第五章介绍了有关网络极点的近似估算，一般而言对于传递函数分母多项式一元二次方程s2+A1s+A0=0的根称作网络的极点，计算极点可用求根公式如果A1、A0是一个纯数字，这就是数学问题，很容易求得极点。但是电网络中A1、A0是由具体的具有物理意义的R、L、C元件的组合，工程上计算极点是希望通过极点找到解决问题的方法，所以需要知道极点明确的物理意义。在某种条件下利用近似极点计算法，可确保物理意义明确。

四、以实际工程应用研究为依托，阐明电子学原理的应用技术

本书名为《电子学原理与应用》，编者希望在阐明基本原理同时，力求在介绍原理的应用方面有所突破。以第9章电子控制器件和电路的9.6节1kW功率以下三相逆变器应用电路分析为例，作者主要讲述了图3电路各部分的设计原理。有经验者看一眼该图就可知，这是一个非常完整的实用三相逆变硬件电路。负责该部分内容编写的作者兼任某电机股份有限公司技术总监，图3所示的拓扑原理实际上是公司看家产品硬件电路的主要组成部分。作者对不控整流器、功率驱动、启动与保护、再生制动四个部分做了极为详细的分析，具有独到的见解。以不控整流器为例，图3输入部分为何两条输入线上都接有熔断器?如何选择整流器件?如何选择电容?如何选择浪涌抑制电路与器件?作者不嫌其繁做了详解。其余三个部分以相同的风格撰写，言之凿凿，解释准确完备。因为图3是真实产品的一部分，经过多年的市场考验，所有工作状态必须有预先估计，因此必须有过细的考虑，这实际上反映了作者多年的工作经验。这种思想不限于正确理解图3所示电路的工作原理。对所有的工程设计都是适用的。

五、结论

1.《电子学原理与应用》不回避电子器件非线性本质，若干处引入处理非线性问题的迭代计算——数值求解方法，有利于培养读者处理较为复杂问题的能力。

2.部分章节设计了需用MATLAB解题的内容便于课程体系内容连贯，注意较新的通识课程内容应用于解决电子学的问题，有利于巩固通识课程内容。

3.以作者工程应用研究为依托，力求电子学原理应用的讲解有利于培养读者解决实际工程问题的能力。所用的实例有鲜明的工程背景，可操作性强。