《半導(dǎo)體器件》課程教學(xué)的改革探索

唐 瑩 ，李萬清

（1.中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州310018；2.杭州電子科技大學(xué) 計算機學(xué)院，浙江 杭州310018）

《半導(dǎo)體器件》課程教學(xué)的改革探索

唐 瑩1，李萬清2

（1.中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州310018；2.杭州電子科技大學(xué) 計算機學(xué)院，浙江 杭州310018）

針對《半導(dǎo)體器件》的課程特點，文章探討了如何通過使用L-EDIT軟件來改進該課程的教學(xué)方式和教學(xué)手段。在教學(xué)過程中應(yīng)用L-EDIT軟件更有利于學(xué)生對半導(dǎo)體器件的物理原理、器件結(jié)構(gòu)及制造過程這三方面知識的綜合理解和整體把握。教學(xué)實踐表明，在《半導(dǎo)體器件》課程教學(xué)中引入L-EDIT可以收到良好的教學(xué)效果。

教學(xué)改革；《半導(dǎo)體器件》；L-EDIT軟件

1 引言

《半導(dǎo)體器件》是高等院校微電子專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課。對于半導(dǎo)體器件的學(xué)習(xí)而言，任何一種半導(dǎo)體器件的物理原理、器件結(jié)構(gòu)及其制造工藝流程都是相互融合不可分割的[1]。在《半導(dǎo)體器件》的教學(xué)過程中，學(xué)生對器件工作原理的講解較為容易接受，這得益于《半導(dǎo)體物理》等先行課程的鋪墊，然而在器件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)制造工藝方面的掌握則顯得有些欠缺，尤其將器件的原理、結(jié)構(gòu)與工藝三者結(jié)合起來進行考查時，常常發(fā)現(xiàn)學(xué)生難以融會貫通綜合掌握。分析其原因，一方面固然是由于半導(dǎo)體工藝課程的開設(shè)較晚；另一方面，則是學(xué)生普遍難以將工藝知識與器件結(jié)構(gòu)兩者結(jié)合起來進行思考和學(xué)習(xí)。將半導(dǎo)體器件的學(xué)習(xí)與器件的制造工藝割裂，是阻礙學(xué)生熟練掌握和深刻理解半導(dǎo)體器件學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要因素。伴隨著微電子領(lǐng)域日新月異的發(fā)展，半導(dǎo)體器件的內(nèi)容也日益豐富，課程的計劃學(xué)時相形之下十分有限，甚至顯得有些偏少。因此，如何在有限的課堂教學(xué)中，增強學(xué)生對于器件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)制造工藝這一薄弱環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，從而加深對器件的理解和掌握，成為《半導(dǎo)體器件》課程教學(xué)改革的一個重要問題。

作者結(jié)合科研經(jīng)驗對《半導(dǎo)體器件》課程的教學(xué)改革進行積極有益的探索，將專業(yè)制版軟件L-EDIT引入《半導(dǎo)體器件》的課堂教學(xué)，通過運用具體的版圖輔助講解器件的結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的制造過程，不僅改進了教學(xué)方式，收到了良好的教學(xué)效果，而且有助于學(xué)生增強對專業(yè)軟件的認識及應(yīng)用能力。

2 L-EDIT在半導(dǎo)體器件教學(xué)中的實際運用

2.1 從IC電阻引入L-EDIT

L-EDIT軟件是Tanner Research公司開發(fā)的基于Windows操作平臺的IC設(shè)計軟件工具之一，作為專業(yè)的版圖設(shè)計軟件在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，具有很高知名度。簡單的講，L-EDIT就是一個版圖圖形編輯器，可以繪制、修改半導(dǎo)體器件與集成電路的掩膜版圖形。在使用多媒體課堂教學(xué)時，既可以使用提前繪制好的L-EDIT版圖，在講解中針對器件的結(jié)構(gòu)和工藝過程，有選擇地顯示單層或多層的掩膜版圖形，也可以在課堂上當場繪制和修改，不僅教學(xué)方便，而且課堂效果良好，能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性。

然而由于學(xué)生在先導(dǎo)課程中未接觸到L-EDIT軟件，對于版圖設(shè)計也知之甚少，因此在教學(xué)中要充分考慮到學(xué)生的可接受性，首先從最簡單的器件引入L-EDIT，在后續(xù)課程中再逐步加深難度。最簡單的半導(dǎo)體器件是PN結(jié)IC電阻，結(jié)構(gòu)簡單易學(xué)，選擇在PN結(jié)電阻的講解中初次引入L-EDIT軟件，相對而言學(xué)生較容易接受L-EDIT的輔助講解，通過將PN結(jié)電阻的剖面圖與對應(yīng)的LEDIT版圖圖形進行對比、說明和講解，更有助于學(xué)生盡快熟悉L-EDIT軟件，從而為后繼復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)的版圖講解墊定基礎(chǔ)。

圖1即為某一PN結(jié)電阻的L-EDIT版圖（a）和對應(yīng)的剖面圖（b），其中深色為PN結(jié)電阻的接觸孔，淺色區(qū)域為電阻體，L是電阻體的長度，W是電阻體的寬度。為了突出重點便于講解，IC電阻的版圖圖形中省略了部分次要的掩膜圖形，相應(yīng)地在剖面圖中也省略了與接觸孔對應(yīng)的導(dǎo)電金屬層。通過對簡單條狀PN結(jié)電阻的講解，學(xué)生可以直觀、形象地了解PN結(jié)電阻的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)的定義，有助于理解載流子的運動方式，考慮到絕大多數(shù)電流從接觸孔的內(nèi)邊沿流出，因此電阻的計算長度并非區(qū)的擴散長度。同時對于擴散工藝也有了感性理解，有助于對器件基本工藝流程的學(xué)習(xí)和掌握。實踐表明，通過從簡單的矩形PN結(jié)電阻引入L-EDIT版圖，學(xué)生接受程度快，對器件版圖有最基礎(chǔ)的了解，而且學(xué)習(xí)興趣有明顯提高。

圖1 矩形PN結(jié)IC電阻的L-EDIT版圖（a）和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)剖面圖（b）

2.2 運用L-EDIT巧設(shè)情境展開互動

器件的設(shè)計參數(shù)在版圖之中必然要有所體現(xiàn)，而版圖尺寸的改變相應(yīng)也會對器件性能、工藝、制造成本等多方面產(chǎn)生影響。運用L-EDIT，通過設(shè)置一些情境，可以巧妙地將理論與實際相互聯(lián)結(jié)，進而在課堂上展開討論，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)探索。不妨仍以IC電阻為例展開討論，蛇形電阻是一類常見的IC電阻，如圖2所示，兩種蛇形電阻的L-EDIT版圖分別為矩形拐角和環(huán)形拐角，假設(shè)兩個蛇形電阻有相同的薄層電阻和相同的寬度以及電阻的總長度。設(shè)置思考問題如下：第一，保持和不變，如何選取和，使得電阻所占據(jù)的硅片面積達到最??？第二，矩形拐角和環(huán)形拐角對電阻值會產(chǎn)生什么影響？第三，環(huán)形拐角的半徑的變化會對電阻產(chǎn)生什么影響？第四，在版圖繪制的過程中，哪一種蛇形電阻繪制更簡單，更加容易修改，為什么？第五，在集成電路中，矩形拐角和環(huán)形拐角的蛇形電阻哪一種更常用，為什么？

圖2 蛇形電阻版圖（a）環(huán)形拐角（b）矩形拐角

硅片資源是十分昂貴的，器件所耗硅片的面積越小，成本就越低，因此在滿足性能的基礎(chǔ)之上，必須盡可能地節(jié)省器件的總面積，即硅片面積?？此坪唵蔚纳咝坞娮?，在優(yōu)化其面積時要考慮的因素并不少，版圖設(shè)計與工藝直接相連，因此考慮縮小面積必須考慮電阻的擴散結(jié)深所帶來的橫向擴散寬度，同時如何選取與，使得電阻總長度不變的情形下達到最小面積。兩張版圖帶出的一系列問題，調(diào)動了學(xué)生極大的積極性，充分引起了學(xué)生探索的求知欲，課堂上不時有不同的觀點被提出，各執(zhí)己見相互爭論，任課教師只需從旁輕微的點撥、點評，盡可能地引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)過的知識自己去尋找問題的答案。在討論問題尋找答案的過程中，將半導(dǎo)體器件物理與器件結(jié)構(gòu)以及制造工藝有機地聯(lián)系在一起，將理論知識與生產(chǎn)實踐聯(lián)系在了一起，讓學(xué)生切身體會如何應(yīng)用課本所學(xué)的理論知識來解決實際問題。運用L-EDIT設(shè)置實際應(yīng)用的情境，活躍課堂氣氛的同時，也增長了學(xué)生聯(lián)系實際問題綜合應(yīng)用理論知識尋找答案的能力，可謂一舉數(shù)得。

2.3 復(fù)雜器件結(jié)構(gòu)的L-EDIT輔助講解

雙極型晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管是非常基本和重要的兩種半導(dǎo)體器件，也是教材的核心內(nèi)容[2]。對于這些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的半導(dǎo)體器件，適當?shù)貞?yīng)用L-EDIT輔助講解器件結(jié)構(gòu)，加強感性認識，十分有助于學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深刻理解和掌握。如圖3（a）中給出了一種類型的NPN晶體管版圖。在雙極型晶體管中，發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度由高到低變化，從物理角度解釋摻雜濃度差異的同時，還可應(yīng)用L-EDIT簡單分析雙極型晶體管的工藝流程。通過版圖的順序，結(jié)合器件結(jié)構(gòu)的形成步驟，學(xué)生能夠更加直觀地理解雙極型晶體管的工藝順序是在集電區(qū)上擴散形成基區(qū)，而后才在基區(qū)之上形成高濃度的發(fā)射區(qū)，進一步加深了理解，而且在后續(xù)理論內(nèi)容講解數(shù)學(xué)方程時，還有助于學(xué)生將物理模型與腦海中的實體印象相結(jié)合，有利于形成整體概念。NPN晶體管的版圖結(jié)構(gòu)具有多樣性，如果改變各電極的形狀與位置，器件的性能也會發(fā)生改變，圖3（b）中所給出的僅是其中一種，還有多種結(jié)構(gòu)，例如垂直排布的電極、叉指狀排布的電極，等等。不同電極結(jié)構(gòu)的NPN晶體管的版圖繪制以及性能探討不妨留做學(xué)生的課后思考題，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生進行進一步的研究探索。

圖3 （a）NPN晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；（b）L-EDIT軟件界面及一種類型的NPN晶體管版圖

教學(xué)實踐證明，利用L-EDIT版圖，可以將抽象的結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的器件結(jié)構(gòu)，將理論與實際應(yīng)用相結(jié)合，更有利于進行啟發(fā)式的教學(xué)。再如，當講解MOSFET中的自對準工藝時，L-EDIT版圖能起到非常好的講授效果。講解MOSFET的等比例縮小定律時，應(yīng)用L-EDIT版圖更是可以非常清晰地直觀表達。此外，根據(jù)學(xué)生掌握知識水平的不同，還可以適當應(yīng)用L-EDIT開展啟發(fā)式的教學(xué)，通過設(shè)置一些難度不同的討論題目，提高學(xué)生對知識的綜合掌握和熟練運用。例如針對同種器件結(jié)構(gòu)由于版圖形狀不同而產(chǎn)生的特性差異的討論，版圖與電路圖之間如何一一對應(yīng)等微型論題。在 《半導(dǎo)體器件》的教學(xué)中，由于學(xué)時有限，因此并非每一種器件結(jié)構(gòu)都需要應(yīng)用L-EDIT輔助講解，要依據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，充分考慮課堂時間的安排，因此在應(yīng)用L-EDIT講解時，往往需要有針對性地選擇幾類最典型的器件進行重點講解，避免占用過量的課堂時間而影響其他教學(xué)內(nèi)容的講授。

3 結(jié)論

對于任何一種半導(dǎo)體器件的熟練掌握，都離不開對該器件的物理機制、幾何結(jié)構(gòu)及其制造工藝的綜合理解。教學(xué)實踐表明，應(yīng)用L-EDIT軟件輔助《半導(dǎo)體器件》的教學(xué)，有助于學(xué)生對半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)、物理原理及工藝過程的整體學(xué)習(xí)和融會理解，豐富了教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛，達到了良好的教學(xué)效果，同時促進了學(xué)生對課程理論內(nèi)容和行業(yè)專業(yè)軟件的主動學(xué)習(xí)。

4 致 謝

本研究工作受到下列基金資助：中國計量學(xué)院校級高教研究課題（HE200904），中國計量學(xué)院重點課程“半導(dǎo)體器件及其課程設(shè)計”項目（ID號：2008010），重點課程“固體物理與半導(dǎo)體物理系列課程”項目（ID號：2007011）以及中國計量學(xué)院引進人才科研啟動項目 (No.01101-000169)。在此一并表示誠摯的感謝。

[1][美]施敏，著.半導(dǎo)體器件物理與工藝（第二版）[M].趙鶴鳴,錢敏,黃秋萍,譯.蘇州：蘇州大學(xué)出版社,2004.

[2]曾樹榮.半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2002.

Research on Application of L-EDIT Software in Semiconductor Device Teaching

TANG Ying1,LI Wanqing2
（1.College of Optical and Electronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou Zhejiang 310018,China;2.School of Computer Science&Technology,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018,China）

Considering the feature of the curriculum of semiconductor devices,this article discusses the application of LEDIT software to improve the teaching methods.It has been proved that the application of L-EDIT software in the teaching process is more conducive to students which help the students study and comprehensive understand the knowledge of physical principles of semiconductor devices,the device structure and manufacturing process.Teaching practice showed that utilizing L-EDIT software in the course of semiconductor devices receives well teaching results.

teaching reform;semiconductor devices;L-EDIT software

G424.1

A

1674－5787（2010）02－0063－03

2009-12-18

唐瑩（1981—），女，浙江杭州人，工學(xué)博士，研究方向為微電子學(xué)與固體電子學(xué)。

責任編輯 王榮輝