PN结二极管教学过程中的课程思政
陈新武 仓玉萍 涂友超 张晓丽 王鹏 张昆 陈天歌
摘 ?要：为了更好地践行立德树人的社会主义教育观，文章以PN结二极管教学内容为例，探讨了在本部分教学过程中如何挖掘课程思政元素，主要包括：科技强国的责任感培养、矛盾多样性的认识与应用、量变质变规律、创业激励、大国工匠精神五个方面。
关键词：课程思政;PN结二极管;模拟电子技术基础;思政元素;立德树人
中图分类号：G641 ? ? ? 文献标志码：A ? ? ? ? 文章编号：2096-000X（2021）13-0177-04
Abstract： In order to better practice the concept of socialist education of fostering character and civic virtue， this paper takes the teaching content of PN Diode and discusses how to excavate the ideological and political elements in this part of teaching， mainly including five aspects： the cultivation of the sense of responsibility of the powerful country in science and technology， the understanding and application of the diversity of contradictions， the law of quantity deterioration and change， the incentive of starting a business， and the spirit of craftsman in a big country.
Keywords： ideological and political education in all courses; PN Diode; Fundamental of Analog Electronic Technology; political elements; fostering character and civic virtue
习近平总书记于2016年12月7日在全国高校思想政治工作会议中指出，“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人。”“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”这些重要论述为高校实施“课程思政”建设指明了方向，提供了遵循[1]。许多高校针对“立德树人、课程思政”设立了专项研究课题，很多教师纷纷加入了课程思政建设之中。
《模拟电子技术基础》课程是信息类和控制类专业的核心课程之一，许多电子学基本思想都起源于该门课程。如何很好地挖掘该课程的思政元素，应用这些思政元素为立德树人的育人目标服务，是每一位任课教师光荣而神圣的使命。二极管原理及其应用是本课程的核心内容之一，将思政内容融入其中，是一个值得探讨的问题。太原工业学院王建国和翟丽红两位教师通过二极管不同等效电路模型的不同复杂程度探讨了其中的辩证思维能力培养，并与人生命运选择进行了类比[2];中北大学的刘涛和牛慧芳两位老师通过二极管分类培养学生的思辨能力[3];宁波职业技术学院的翁芸老师从普遍联系的观点强调了二极管教学过程中的着眼点[4]。三篇论文均具有较高的参考价值。其他老师虽然也提到了二极管的重要作用，但没有将二极管教学作为一个单独的教学单元进行课程思政的阐述[5-6]。
本文针对二极管部分，进一步挖掘课程思政元素，以便于更好地促进立德树人，全程育人。
一、科技强国责任感的培养
如果直接从原理性的角度来讲述光电二极管和发光二极管，学生的积极性往往没有被调动起来，教学效果往往不好。如果能够结合社会热点问题来讲述，则会激发学生的学习热情。例如，我们以目前的5G之争作为引言，这样引入：“众所周知，通信技术的发展水平高低，对一个国家的科技地位和经济地位有极大的影响。目前，我国和美国之间展开的5G技术的激烈竞争，正说明了这个事实。”然后，用图1所示的光通信系统框架，引入发光二极管和光敏二极管，然后设定问题：1. 发光二极管和光敏二极管（又称光电二极管）的作用分别是什么？2. 发光二极管和光敏二极管分别利用了半导体材料和PN结的什么性质？3. 两种不同类型的管子，正常工作状态的偏置（即正偏或者反偏）有什么不同的要求？4. 如果要提高通信系统的速度，关键问题是什么？
必须指出，这四个问题层层递进，每一个问题都有极为深远的理论价值和应用价值，对于我国在半导体产业的发展都有重要的作用和影响。首先看第一个问题：发光二极管和光敏二极管的作用分别是什么？发光二极管发什么颜色的光、什么频率的光？是否为可见光？到目前为止，发光二极管所发出的光的颜色，只在很有限的几个不同的频段上，例如在可见光频段，红色、绿色、蓝色和白色LED的技术比较成熟。而且，特别值得重视的是，如何提高发光二极管的性价比和降低LED的閾值电压，这是全世界都在研究的热点问题。如果能在该领域占据领先位置，将能够促进我国在该领域具有更大的话语权。
下面看第二个问题：发光二极管和光敏二极管分别利用了半导体材料和PN结的什么性质？这个问题牵涉半导体材料的制备与生产技术。发光二极管是上世纪20项重大发明之一，极大地促进了世界范围内经济的快速发展。发光二极管和光敏二极管所需要的材料数量巨大。采用什么材料生产这两种二极管来提高管子的工作效率？全球电子技术领域的科研人员都非常关心这个问题。以信阳师范学院物理电子工程学院为例，就有一些教师在研究这种半导体材料，取得了比较大的学术影响和较高的学术地位。以身边的故事为案例，可以更好地吸引学生的注意力。课后带领学生参观相应的实验室，进一步激发他们的探索精神和为国争光的自信心。本专业已经有几个同学在相关领域导师的带领下，取得了一些比较有影响的科研成果，有的同学还直接在相关实验室继续攻读硕士学位。
第三个问题：两种不同类型的管子，正常工作状态的偏置（即正偏或者反偏）有什么不同的要求？这个问题牵涉到管子内部载流子的运动规律和管子的工作原理。由于发光二极管的基本工作原理是自由电子和空穴复合的情况下发出光子，因而需要比较大的电流，才能实现大量自由电子和空穴复合从而产生足够强度的光。而光敏二极管则需要工作在反偏状态，这是因为，只有在反偏的情况下，光电效应的现象才会比较显著。不同的光照产生的本征激发现象才能由于光强不同而有明显的不同，进而引起电流的显著差别。
当学生回答到第四个问题，即：“如果要提高通信系统的速度，关键问题是什么？”的时候，教师可以引导学生到二极管的频率响应问题上来。然后讲述PN结二极管的电容，包括二极管的扩散电容、结电容，然后讲到二极管的开关特性和开关时间。第三个和第四个问题与实际工程应用关系尤为密切。例如二极管的结电容，可以分为动态电容和静态电容，或者扩散电容和势垒电容。这些电容都有严密的计算公式，但是对于实际工程来讲，如何简明扼要地讲述清楚其中的道理则需要任课教师仔细斟酌。但是，有一个必须面对的关键问题，PN结的存在，就导致了结电容的存在，它两端电压的变化，必然引起电容器结构的变化，从而产生容值的变化。
之后可以讲解半导体工艺方面我国和美国等发达国家之间的差距，激发学生的爱国热情，力争学好基础理论，为我国半导体技术的发展添砖加瓦。另外，教师还可以将无线通信理论，包括天线技术介绍给学生，并说明我们国家目前的领先与落后领域，引导学生有民族自豪感和自信心。也可以让学生自己查资料，来对这个领域进行比较深入地探讨。总之，只要学生的积极主动性调动起来，就会收到意想不到的良好效果。
二、矛盾多样性的认识与应用
二极管具有多方面的性质，主要包括：单向导电性、门限电压、热敏特性、光敏特性、反向击穿特性、正向击穿特性、内建电压等。如果根据每一个特性所具有的矛盾为主要出发点，则可以得到不同的器件模型，生产出不同类型的器件。必须指出，上面所说的各种性质，其实是一种便于工程应用的说法，是主要性质的描述，而忽略了一些次要的因素。
利用二极管的单向导电性，将此性质作为主要矛盾进行考虑，则可以制作出开关二极管;如果要突出二极管的门限电压，则可以突出以肖特基二极管为代表的低阈值性质，它的开启电压相比较于普通二极管要低一半甚至更多（如图2所示）。图2中，iD表示流过二极管的电流，vD表示二极管两端的电压。Vγ（SB）表示肖特基势垒二极管的开启电压（即阈值电压），Vγ（pn）则表示普通PN结二极管的开启电压。从图中可以看出肖特基势垒二极管的开启电压大约是普通PN结二极管的开启电压的一半，而低电压意味着低功耗，低功耗意味着绿色和环保，因而在全球范围内，许多研发人员仍在积极开展低阈值二极管的研究。
利用半导体材料的热敏特性或者光敏特性，则可以生产热敏二极管和光敏二极管;二极管反向击穿的情况下，较小的电压变化就可以导致较大的电流变化，可以用作稳压二极管;内建电压的存在为太阳能电池提供了可能;正向击穿电流则为二极管所能承受的最大正向整流电流的额定值进行限制。
另外，二极管的电容效应也包含辩证思想。当二极管作为开关使用时，我们需要考虑它的开关时间和暂态响应。开关时间包括开启时间和关断时间两个方面，哪个时间能够决定二极管的开关时间？也就是说，哪个是主要矛盾呢？课堂上，老师引导学生进行分析，让学生体会抓住主要矛盾的方法。二极管的结电容一般为pF量级。在本课程之前的电路分析课程中，学生已经掌握了电容容抗的计算方法，老师可以引导学生计算pF量级的电容器，在什么样的频率下，才可以和电路中的电阻相比不可忽略。通过计算可以发现，在低频段，由于容抗远大于电路中的电阻阻值，因而可以忽略这种电容的存在。然而，随着频率的升高，电容的容抗变小，特别是当频率达到GHz量级的情况下，电容的容抗很小，甚至小于电路中电阻的阻值，这时候的PN结电容就必须考虑在内。通过简单的计算，学生明白了近似计算的原理，能够抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，既提高工作效率，又能保证电路正确。
三、量变质变规律
对于二极管的导通和截止，大家一般從单个器件的角度去阐述，这样就忽略了大量二极管被集成在一起时候的一些特殊效应。一般教科书上都会讲到，二极管反向截止，该反向截止电流为nA量级（典型值0.1nA），这个电流很小，一般可以忽略。但是，当二极管（或者是PN结型器件）在集成电路中大量使用时，数量级达到10的10次方以上，即使所有二极管全部截止，也可以产生1A左右的大电流，这么大的电流对于集成电路来讲，可以说是不能接受的。教师在讲解过程中，可以从一个二极管反偏电流，到10个二极管反偏电流，然后100个、1000个……，直至100亿个，让学生体会这个电流从小到大的变化过程，加深学生对于量变到质变的理解。
这种案例很多，在上面提到的PN结电容，随着频率的升高，电容值减小，当频率达到GHz时，它的电容效应就不容忽视了。在放大电路部分经常用到的耦合电容和旁路电容也有类似的表现。在这些案例中，都蕴含着量变到质变的哲学思维。
四、创业激励
电子产业是IT产业的龙头产业，有很大的发展机遇和空间。例如，前面提到的二极管的各方面性质，都是重要的经济增长点。这里给出两个案例，以便于和同行交流。
案例1：具有较低阈值电压的二极管的研发与生产，可以有效降低整个电路的驱动电压，提高电路的工作频率，提升整个电子产业的各种电子产品的性能。鼓励学生在这个方向展开文献调研，发现问题所在，针对该问题进行学习和研究，可以为自己创业奠定良好的基础。
案例2：光伏系统的研发与生产。在二极管部分，有一个重要的内容，就是利用PN制作的太阳能电池单元。通过讲解基本的太阳能电池的基本原理，启发学生，现在太阳能电池的关键技术在哪里？让学生主动查找资料，针对现在太阳能发电系统存在的问题展开讨论，鼓励学生研发相关的技术和产品。我校具有太阳能光伏系统研发中心，学生们通过见习和实习，可以极大地促进他们的创新创业热情和动力。
《模拟电子技术基础》课程中，类似这样的案例很多，不断启发学生的创新精神，有利于整个国家创新驱动能力的提高。
五、大国工匠精神
《模拟电子技术基础》课程中有很多案例可以用来培养学生的大国工匠精神，这里给出一个案例。
如图2所示，稳压二极管工作在反向击穿状态，由于较小的电压变化就可以引起很大的电流变化，因而可以构造图3所示的稳压电路。在对图2进行分析和讲解之后，可以让学生回答一个问题：稳压二极管工作点动态范围如果分别为A、B和C所示，应该如何选取最好？在本课程实际授课过程中，许多学生选择C区。他们选择的原因是：C区具有最好的稳压特性，他们的解释确实很有道理。但是，通常情况下，我们会将工作点选择在A区。原因是要降低功耗。事实上，我们在设计图3所示的稳压电路时，特别要注意的是稳压二极管的功耗和安全性。如果将管子的工作点选择在A区，虽然稳压性能略低于C区，但是管子的功耗却是明显减小的。因此，电路设计要求我们在稳定性好和低功耗之间做出选择。在采用了图3所示的电路结构的情况下，由于该电路具有一个负反馈机制，稳压二极管工作点选在A区就可以了。这是综合考虑的结果。
通过本案例的讲解，学生知道设计的过程就是在众多方案中折中的过程，能够根据工程需要去优化自己的设计。这种工匠精神是弥足珍贵的。
六、结束语
《模拟电子技术基础》课程是众多电子类、通信类、控制类专业的重要核心课程。二极管是该课程的核心内容之一。在本部分深入挖掘思政元素，加强立德树人的教育，对于学生自身的发展大有裨益。本文从科技强国的责任感培养、矛盾多样性、量变质变规律、创业激励和大国工匠精神6个方面进行了思政元素的初步挖掘，希望能够促进《模拟电子技术基础》课程的思政建设。
参考文献：
[1]习近平.把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报，2016-12-9.
[2]王建国，翟丽红.模拟电子技术课程思政建设探究[J].西部素质教育，2019，5（5）：40+45.
[3]劉涛，牛慧芳.模拟电子技术课程思政建设探究[J].教育现代化，2019，6（58）：214-215.
[4]翁芸.《模拟电子技术与实践》课程思政的探索[J].教育现代化，2019，6（31）：198-200.
[5]任伟.“汽车电工与电子技术基础”课程思政教学实践[J].工业技术与职业教育，2019，17（2）：21-22.
[6]张国琴.电子技术“课程思政”教学实践和探索[J].课程教育研究，2018（46）：238-239.
基金项目：国家自然科学基金资助项目“多主体光纤光栅智能健康监测系统自修复模型构建及其协作决策机制研究”（编号：61603324）;信阳师范学院2019年度“课程思政”示范课程建设项目“模拟电子技术基础”（编号：XYSY2019KCSZ05）
作者简介：陈新武（1969-），男，汉族，河南修武人，博士，教授，研究方向：模式识别。
