微電子專業(yè)“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革的探索

摘要：針對(duì)半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，探索基于微電子專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)體系，結(jié)合半導(dǎo)體物理課程的特點(diǎn)進(jìn)行課程教學(xué)改革。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)合理安排教學(xué)內(nèi)容，采用多樣化的教學(xué)方法，結(jié)合行業(yè)科技發(fā)展動(dòng)態(tài)來(lái)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：微電子；半導(dǎo)體物理；教學(xué)質(zhì)量；教學(xué)方法

作者簡(jiǎn)介：湯乃云（1976-），女，江蘇鹽城人，上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，副教授。（上海200090）

基金項(xiàng)目：本文系上海自然科學(xué)基金（編號(hào)：B10ZR1412400）、上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：10110502200）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2012）13-0059-02

隨著半導(dǎo)體和集成電路的迅猛發(fā)展，微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到電子信息學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，電子、通信、控制等諸多學(xué)科都融合了微電子科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。[1]作為微電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，半導(dǎo)體物理研究、半導(dǎo)體材料和器件的基本性能和內(nèi)在機(jī)理是研究集成電路工藝、設(shè)計(jì)及應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ)；作為微電子學(xué)相關(guān)專業(yè)的特色課程及后續(xù)課程的理論基礎(chǔ)，“半導(dǎo)體物理”的教學(xué)直接影響了后續(xù)專業(yè)理論及實(shí)踐的教學(xué)。目前，對(duì)以工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的微電子類相關(guān)專業(yè)，如電子科學(xué)與技術(shù)、微電子、集成電路設(shè)計(jì)等，均強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，注重學(xué)生的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在課程設(shè)置及教學(xué)上輕視基礎(chǔ)理論課程。由于“半導(dǎo)體物理”的理論較為深?yuàn)W，知識(shí)點(diǎn)多，涉及范圍廣，理論推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)科性很強(qiáng)，對(duì)于學(xué)生的數(shù)學(xué)物理的基礎(chǔ)要求較高。對(duì)于沒(méi)有固體物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理等基礎(chǔ)知識(shí)背景的微電子學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)和理解上都存在一定的難度。因此需要針對(duì)目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容，探索形象化教學(xué)手段，結(jié)合科技發(fā)展熱點(diǎn)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、循序漸進(jìn)，有增有減，構(gòu)建合理的教學(xué)內(nèi)容

目前，國(guó)內(nèi)微電子專業(yè)大部分選用了電子工業(yè)出版社劉恩科等編寫的《半導(dǎo)體物理學(xué)》，[2]教材知識(shí)內(nèi)容體系完善，涉及內(nèi)容范圍廣、知識(shí)點(diǎn)多、理論推導(dǎo)復(fù)雜、學(xué)科交叉性強(qiáng)。該教材的學(xué)習(xí)需要學(xué)生有扎實(shí)的固體物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理以及數(shù)學(xué)物理方法等多門前置學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。但是在以培養(yǎng)工程技術(shù)人員為目標(biāo)的微電子學(xué)類專業(yè)中，國(guó)內(nèi)大部分高校均未開設(shè)量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)及固體物理學(xué)等相應(yīng)的前置課程。學(xué)生缺少相應(yīng)固體物理、統(tǒng)計(jì)物理與量子力學(xué)等背景知識(shí)，沒(méi)有掌握相關(guān)理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)感到頭緒繁多，難以理解，容易產(chǎn)生畏學(xué)和厭學(xué)情緒。

在課程教學(xué)中教師必須根據(jù)學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)，把握好課程的內(nèi)容安排，抓住重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)原有的教材進(jìn)行補(bǔ)充更新，注意將部分量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、固體物理學(xué)等相關(guān)知識(shí)融合貫穿在教學(xué)中，避免學(xué)生在認(rèn)識(shí)上產(chǎn)生跳躍。例如在講解導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)容前，可以增加2-3個(gè)學(xué)時(shí)的量子力學(xué)和固體物理學(xué)中基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生在課程開展前熟悉晶體的結(jié)構(gòu)，了解晶格、晶胞、晶向、晶面、晶格常數(shù)等基本概念，掌握晶向指數(shù)、晶面指數(shù)的求法，了解微觀粒子的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在講解半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)前，增加兩個(gè)學(xué)時(shí)量子力學(xué)知識(shí)，使學(xué)生了解粒子的波粒二象性，掌握晶體中薛定諤方程及其求解的基本方法。在進(jìn)行一些復(fù)雜的公式推導(dǎo)時(shí)，隨時(shí)復(fù)習(xí)或補(bǔ)充一些重要的高等數(shù)學(xué)定理及公式，如泰勒級(jí)數(shù)展開等。這些都是學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理學(xué)”必備的知識(shí)，只有在透徹理解這些基本概念的前提下，才能對(duì)半導(dǎo)體課程知識(shí)進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)和掌握。

另一方面，對(duì)于微電子學(xué)專業(yè)來(lái)講，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，“半導(dǎo)體物理”課程中的部分教學(xué)內(nèi)容對(duì)于工科本科學(xué)生來(lái)說(shuō)過(guò)于艱深，因此在滿足本學(xué)科知識(shí)的連貫性、系統(tǒng)性與后續(xù)專業(yè)課需要的前提下，大量刪減了涉及艱深物理理論及復(fù)雜數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的內(nèi)容，如在講述載流子在電場(chǎng)中的加速以及散射時(shí)，可忽略載流子熱運(yùn)動(dòng)速度的區(qū)別及各向異性散射效應(yīng)，即玻耳茲曼方程的引入，推導(dǎo)及應(yīng)用可省略不講。

二、豐富教學(xué)手段，施行多樣化教學(xué)方法，使教學(xué)形象化

半導(dǎo)體物理的特點(diǎn)是概念多、理論多、物理模型抽象，不易理解，如非平衡載流子的一維飄移和擴(kuò)散，載流子的各種復(fù)合機(jī)理，金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶圖等。這些物理概念和理論模型單一從課本上學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)感覺內(nèi)容枯燥，缺少直觀性和形象性，學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。為了讓學(xué)生能較好地掌握這些模型和理論，需要采用多樣化的教學(xué)方法，充分利用PPT、Flash等多媒體軟件、實(shí)物模型、生產(chǎn)錄像等多種信息化教學(xué)手段，模擬微觀過(guò)程，使教學(xué)信息具體化，邏輯思維形象化，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和主動(dòng)性。同時(shí)，教師除開展啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性外，[3，4]還可以應(yīng)用類比方法幫助他們理解物理概念或模型。如講半導(dǎo)體材料中的缺陷及躍遷機(jī)制時(shí)，為了幫助學(xué)生理解，可以做一個(gè)類比：將階梯教師里單位面積的座位數(shù)比做晶格各能級(jí)上的電子能態(tài)密度，把學(xué)生當(dāng)作電子，一個(gè)學(xué)生坐在某一排的某個(gè)座位上，即認(rèn)為這個(gè)電子被晶格束縛。當(dāng)有外來(lái)學(xué)生進(jìn)入教室，在教室過(guò)道上走動(dòng)時(shí)，可類比為間隙式缺陷；而當(dāng)外來(lái)學(xué)生取代現(xiàn)有學(xué)生的座位時(shí)，可類比為填隙式缺陷等等。通過(guò)類比，學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體內(nèi)部的點(diǎn)缺陷的概念的理解就清楚形象多了。

三、結(jié)合微電子行業(yè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生興趣

微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實(shí)際上就是固體物理與半導(dǎo)體物理不斷發(fā)展和創(chuàng)新的過(guò)程，[5]1947年發(fā)明點(diǎn)接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器、CPU、非揮發(fā)存儲(chǔ)器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明，都與一系列的固體物理、[6]半導(dǎo)體物理及材料科學(xué)的重大突破有關(guān)?？v觀微電子工業(yè)的發(fā)展，究竟是哪些半導(dǎo)體理論推動(dòng)了微電子技術(shù)的發(fā)展，哪些科學(xué)家推導(dǎo)并得出了這些理論？他們?cè)诶碚撏茖?dǎo)的同時(shí)遇到了哪些困難？這些理論規(guī)律又起源于哪些實(shí)驗(yàn)？到了21世紀(jì)，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域，[5，6]即以硅基CMOS電路為主流工藝，系統(tǒng)芯片SOC（System On A Chip）為發(fā)展重點(diǎn)，量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)；[7]與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，如MEMS，DNA Chip等，也都于半導(dǎo)體科學(xué)相關(guān)。這些新的微電子發(fā)展趨勢(shì)主要涉及半導(dǎo)體物理中的哪些知識(shí)？涉及哪些領(lǐng)域等？

針對(duì)以上問(wèn)題，教師在講授半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)上，對(duì)教材進(jìn)行補(bǔ)充更新。在保持基礎(chǔ)知識(shí)體系完整性的同時(shí)，避免面面俱到，刪減課本中一些不必要的內(nèi)容，大量加入近幾十年來(lái)發(fā)展成熟的新理論、新知識(shí)，突出研究熱點(diǎn)問(wèn)題，力求做到基礎(chǔ)性和前瞻性的緊密結(jié)合，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)對(duì)微電子發(fā)展歷史中半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)清晰地認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生能從中掌握事物的本質(zhì)，促進(jìn)思維的發(fā)展，形成技能；同時(shí)注重與信息化技術(shù)相結(jié)合，將近幾年半導(dǎo)體技術(shù)的最新研究成果，如太陽(yáng)能電池等半導(dǎo)體光伏發(fā)電技術(shù)在國(guó)家綠色能源戰(zhàn)略上的地位，半導(dǎo)體光電探測(cè)器在國(guó)家航天戰(zhàn)略上的應(yīng)用等，使學(xué)生能及時(shí)掌握半導(dǎo)體技術(shù)前沿發(fā)展趨勢(shì)。將這些問(wèn)題分成若干個(gè)相關(guān)的專題分派給學(xué)生，學(xué)生自行查閱和搜集資料，他們?cè)谡n堂上講述該專題，教師加以引導(dǎo)和幫助。這種方式不僅充分調(diào)動(dòng)課堂氣氛，加深他們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)也讓學(xué)生學(xué)習(xí)了半導(dǎo)體物理課程在微電子專業(yè)中課程體系的作用，在科學(xué)意識(shí)上加深了半導(dǎo)體物理課程的重要性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和欲望。

同時(shí)，為幫助學(xué)生了解學(xué)術(shù)前沿，培養(yǎng)專業(yè)興趣，還可邀請(qǐng)校內(nèi)外的專家做講座，學(xué)生可以利用課余時(shí)間，根據(jù)自己的興趣選擇聽取，加深對(duì)半導(dǎo)體物理課程的了解，培養(yǎng)專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

四、總結(jié)

總之，“半導(dǎo)體物理學(xué)”是微電子技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)。在“半導(dǎo)體物理”教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)積極采用現(xiàn)代化教學(xué)手段提高學(xué)生積極性，在教學(xué)過(guò)程中合理安排教學(xué)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)引入科技熱點(diǎn)，削弱傳統(tǒng)的課本知識(shí)與市場(chǎng)需求的鴻溝，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的微電子人才。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）