應(yīng)用型本科院校半導(dǎo)體器件物理課程改革初探

許明坤

摘 要 半導(dǎo)體器件物理是微電子專(zhuān)業(yè)非常重要的課程。本文從課堂教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，針對(duì)目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，結(jié)合應(yīng)用型本科院校學(xué)生特點(diǎn)，探索改革“半導(dǎo)體器件物理”課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生在課堂中獲得較好的學(xué)習(xí)效果，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體器件物理 應(yīng)用型本科院校 課程改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Semiconductor Device Physics Curriculum

Reform in Applied Undergraduate Institute

XU Mingkun

(Department of Physics and Electronics, Caohu University, Caohu, Anhui 238000)

Abstract The semiconductor device physics is a very important course of the microelectronics professional. Departure from the practice of classroom teaching, for the problems in the current teaching process, combine the characteristics of applied undergraduate college students, explore the reform "Physics of Semiconductor Devices" classroom teaching, stimulate students' enthusiasm for active learning; and effectively, make students in the classroom for better learning results, and lay a good foundation for subsequent courses. Practice shows that our exploration has achieved good teaching effect.

Key words semiconductor device physics; applied undergraduate institute; curriculum reform

0 引言

自從第一個(gè)半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管發(fā)明以來(lái)，以集成電路（IC）為核心的微電子技術(shù)得到了迅速發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)的硅文明時(shí)代。由于微電子技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新的要求。①《半導(dǎo)體器件物理》是微電子學(xué)及電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，討論半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、基本工作原理、電學(xué)特性、器件的特殊效應(yīng)以及器件的基本分析方法。通過(guò)該課程學(xué)習(xí)，可為學(xué)生后續(xù)專(zhuān)業(yè)課如《集成電路設(shè)計(jì)》以及《集成電路工藝》等的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)本專(zhuān)業(yè)其他專(zhuān)業(yè)課程以及從事IC設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。

1 教學(xué)中遇到的問(wèn)題

半導(dǎo)體器件物理特點(diǎn)為理論性強(qiáng)、枯燥、晦澀難懂，而且要求學(xué)生對(duì)前期知識(shí)尤其是對(duì)半導(dǎo)體物理基本知識(shí)熟練掌握。對(duì)于應(yīng)用型本科院校來(lái)說(shuō)，學(xué)生基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，自學(xué)能力也相對(duì)不足。因此使得教學(xué)過(guò)程中教師“教”與學(xué)生“學(xué)”之間不能實(shí)現(xiàn)良好的銜接。在教授基本理論的同時(shí)應(yīng)該更重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學(xué)理念以教師講課為主，實(shí)行的是“填鴨式”的灌輸教育，教學(xué)手段單一僵化，完全無(wú)視學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和個(gè)體特點(diǎn)，加上大部分學(xué)生對(duì)理論性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課熱情不足，很難取得預(yù)想的教學(xué)效果。現(xiàn)代半導(dǎo)體器件發(fā)展迅速，但是半導(dǎo)體器件物理教材僅僅有基本原理和基本特性，不能覆蓋該行業(yè)最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)，也很難引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。鑒于此，有必要對(duì)半導(dǎo)體器件物理課程進(jìn)行改革。

2 半導(dǎo)體器件物理教學(xué)改革初探

2.1 教師的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備

現(xiàn)代高校教師應(yīng)該具有“基礎(chǔ)精深，專(zhuān)業(yè)寬新”的教學(xué)理念，即要求教師對(duì)該課程及相關(guān)課程有深厚的知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)該課程的理論體系有系統(tǒng)的掌握。同時(shí)對(duì)與該課程相關(guān)的科技前沿有足夠的了解和認(rèn)識(shí)，并且對(duì)學(xué)生先期的知識(shí)儲(chǔ)備情況有充分的了解。能根據(jù)學(xué)生的具體情況對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行處理。在基本理論的講解上要詳細(xì)透徹，對(duì)重難點(diǎn)反復(fù)講解。例如能帶在整個(gè)半導(dǎo)體器件中的作用非常重要，這就要求學(xué)生能夠熟練掌握各個(gè)半導(dǎo)體器件的能帶圖。因此，在半導(dǎo)體器件的各個(gè)章節(jié)都重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)能帶的作用。并且把每種器件的能帶圖作為重點(diǎn)內(nèi)容反復(fù)強(qiáng)調(diào)。在專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，更應(yīng)在理論知識(shí)夠用的前提下，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生對(duì)于本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、廣闊的知識(shí)面和較強(qiáng)的實(shí)踐能力。為了增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,在緒論部分可以增加對(duì)晶體管發(fā)明歷史的介紹，講述電子器件從電子管到晶體管的發(fā)現(xiàn)，新器件產(chǎn)生的辯證發(fā)展過(guò)程。并融入一些科學(xué)研究方法，同時(shí)在課程教學(xué)中可以穿插介紹一些科學(xué)家的軼聞趣事，以知識(shí)性和趣味性增加學(xué)生對(duì)本課程歷史的認(rèn)識(shí)、對(duì)半導(dǎo)體器件的感性和理性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)本課程學(xué)習(xí)的興趣。②

2.2 引入多媒體教學(xué)開(kāi)發(fā)教學(xué)動(dòng)畫(huà)課件

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)已成為現(xiàn)在學(xué)校必不可少的教學(xué)手段。比起以往的黑板粉筆教學(xué)有著獨(dú)特的效果，多媒體教學(xué)可以形象直觀地把所講內(nèi)容展現(xiàn)給每一個(gè)學(xué)生，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。因此，運(yùn)用多媒體技術(shù)上課是大勢(shì)所趨。上課過(guò)程中可以播放一些和教材內(nèi)容相關(guān)的視頻講座來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以讓學(xué)生了（下轉(zhuǎn)第218頁(yè)）（上接第209頁(yè)）解最新的科技前沿。

半導(dǎo)體器件內(nèi)部機(jī)制變化非常抽象復(fù)雜，利用Flash動(dòng)畫(huà)可以形象直觀地把這些抽象的變化過(guò)程反映出來(lái)。③將抽象理論知識(shí)動(dòng)起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深刻理解。例如制作PN結(jié)的形成過(guò)程、PN結(jié)能帶形成的動(dòng)畫(huà)、雙極型晶體管載流子的傳輸以及各電流形成的Flash動(dòng)畫(huà)、MOS結(jié)構(gòu)中多子的積累、耗盡、弱反型、強(qiáng)反型等形成的動(dòng)畫(huà)等。能使學(xué)生在視覺(jué)上直觀感受其物理過(guò)程所發(fā)生的變化，還能進(jìn)一步加深對(duì)該過(guò)程中一些物理量的理解。

2.3 結(jié)合最新科技前沿引入討論課

在講解基本理論的同時(shí)，結(jié)合自己的科研成果，把當(dāng)前最新的科學(xué)技術(shù)成果介紹給學(xué)生，還可以就某一學(xué)生感興趣的課題進(jìn)行討論。同時(shí)介紹科技論文的查閱方式和方法，讓學(xué)生課外通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等各種渠道獲取一些新近發(fā)展?fàn)顩r。專(zhuān)門(mén)安排討論課，讓學(xué)生對(duì)自己掌握的信息進(jìn)行交流討論。比如，在講解場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，可以讓學(xué)生查閱此類(lèi)半導(dǎo)體器件最新的技術(shù)、發(fā)展瓶頸和發(fā)展趨勢(shì)，并就此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行討論。在講授太陽(yáng)能電池時(shí)，可以讓學(xué)生收集日常生活中應(yīng)用較為廣泛的太陽(yáng)能電池實(shí)例，并就當(dāng)前的環(huán)境污染、能源危機(jī)等話(huà)題展開(kāi)討論，從而讓學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)有更深刻的認(rèn)識(shí)。在講授發(fā)光二極管時(shí)，可就當(dāng)前熱門(mén)的LED背光源電視與傳統(tǒng)的LCD電視比較，找出其特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)。但是要強(qiáng)調(diào)現(xiàn)在的LED背光源電視與真正的LED電視還有相當(dāng)大的差距，讓學(xué)生根據(jù)此類(lèi)問(wèn)題收集相關(guān)資料，并進(jìn)行討論。這樣的教學(xué)不但鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力，激發(fā)興趣，做到與時(shí)俱進(jìn)，還可以讓學(xué)生了解到最新的科技前沿，為其以后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

2.4 拓展實(shí)驗(yàn)課程

半導(dǎo)體器件物理是實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的課程。通過(guò)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，可以讓學(xué)生自己動(dòng)手把所學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中來(lái)。同時(shí)還可以把一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)拓展為綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如四探針測(cè)量方塊電阻的同時(shí)讓學(xué)生自己結(jié)合所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算摻雜濃度，晶體管特性參數(shù)及曲線(xiàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，為學(xué)生提供一些不合格的晶體管，讓學(xué)生自己判斷分析晶體管的缺陷。半導(dǎo)體器件仿真是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)中非常重要的組成部分，由于大三學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)MATLAB相關(guān)課程，因此可以開(kāi)設(shè)半導(dǎo)體器件仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己編寫(xiě)程序?qū)Ω鞣N器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的仿真。雖然許多計(jì)算也可以借助另外的數(shù)學(xué)工具軟件來(lái)完成，但是從MATLAB應(yīng)用的廣泛程度而言， 熟練掌握MATLAB對(duì)學(xué)生的進(jìn)一步深造或就業(yè)等都將是非常有益的。這樣不僅驗(yàn)證理論知識(shí)，還拓展了課堂內(nèi)容。既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，還提高了學(xué)生的分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

3 總結(jié)

半導(dǎo)體器件物理是微電子專(zhuān)業(yè)非常重要的課程，本文從課堂教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，針對(duì)目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，結(jié)合應(yīng)用型本科院校學(xué)生特點(diǎn)，探索改革“半導(dǎo)體器件物理”課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性；并有效地多渠道、多方面使學(xué)生在課堂中獲得較好的學(xué)習(xí)效果，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，我們的探索取得了良好的教學(xué)效果。

注釋

① 汪慧蘭.微電子技術(shù)課程設(shè)置與改革初探[J].內(nèi)蒙古電大學(xué)刊,2008(11):100-101.

② 張永華,楊平雄,高婉麗.“半導(dǎo)體器件原理”課程建設(shè)的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009(31):4,26-27.

③ 韋綱.中文版Flash MX2004 多媒體課件制作教程[M].北京:海洋出版社,2005.