電子科學與技術專業(yè)的光電子材料與器件課程教學方法研究

林承友　邵曉紅　祁欣　戰(zhàn)可濤　王維

摘 要：該文闡述了光電子材料與器件課程在電子科學與技術專業(yè)教學中的重要地位，并根據筆者自身的教學經驗，討論了電子科學與技術專業(yè)教學中光電子材料與器件課程的理論教學和實驗教學的內容、教學形式、課時安排與教材選擇等。

關鍵詞：電子科學與技術 光電子材料與器件 理論教學 實驗教學

中圖分類號：G423 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0154-02

電子科學與技術（以下簡稱“電科”）專業(yè)是以培養(yǎng)具備微電子、光電子、集成電路等領域寬厚理論基礎、實驗能力和專業(yè)知識，能在電子科學與技術及相關領域從事各種電子材料、元器件、集成電路、電子系統(tǒng)、光電子系統(tǒng)的設計、制造、科技開發(fā)，以及科學研究、教學和生產管理工作的復合型專業(yè)人才為目標的工程專業(yè)。作為電科專業(yè)教育中重要內容的光電子技術，不僅是當代信息技術兩大支柱之一，而且隨著現代科學技術的發(fā)展持續(xù)煥發(fā)著生命活力。而讓光電子技術保持如此強勁發(fā)展勢頭的主要原因之一，正是光電子材料與器件的廣泛應用，例如激光器與新型光電探測器的應用的人你還。另外，諸如納米光電材料與器件、光子晶體及相關器件、超材料及相關器件與表面等離子體激元及器件等新型光電子材料與器件的研究與應用，是目前國際上光學與光電子學研究領域的前沿熱門方向。由此可見，學習光電子材料與器件的相關知識，不僅對電科學生知識體系的構建與就業(yè)方向的確定具有積極的影響，也為那些將來希望從事新型光電子材料與器件科研工作的學生，提供了堅實的理論基礎與知識儲備。然而，根據筆者的調研，雖然國內許多重點大學的電科專業(yè)都開設了光電子技術課程，但很少有大學專門開設光電子材料與器件這門課程。而由于光電子技術的內容多、涉及知識面廣，教學課時又往往有限（一般為32或48個學時），因此在光電子技術的實際教學過程中，講授教師往往重視光電子技術基本概念與理論知識的教學，而輕視光電子材料與器件的教學。該文從光電子材料與器件的研究內容、應用及發(fā)展等方面說明其在電科專業(yè)教育中的重要性，并結合自身光電子材料與器件課程的教學經驗，研討電科專業(yè)中光電子材料與器件的教學方法。

1 光電子材料與器件簡介

光電子材料是指能產生、轉換、傳輸、處理、存儲光電子信號的材料。光電子器件是指能實現光輻射能量與信號之間轉換功能或光電信號傳輸、處理和存儲等功能的器件。自1960年美國科學家梅曼發(fā)明世界上第一臺紅寶石激光器以來，光電子材料與器件如雨后春筍般發(fā)展迅速。在短短的50多年里，光電子材料與器件經歷了從紅寶石激光器的發(fā)明，到半導體激光器、CCD器件及低損耗光纖的相繼問世；從各種光無源器件、光調制器件、探測與顯示器件的小規(guī)模應用到系統(tǒng)級集成制造實用化階段；從大功率量子阱陣列激光器的出現再到光纖激光器、光纖放大器和光纖傳感器的誕生。光電子材料與器件從未停止過發(fā)展的腳步，并正在不斷深刻影響著人類社會的方方面面。在實際需求的引導下，各種新型光電子材料與器件層出不窮，性能也不斷提高。尤其是近年來，隨著微米及納米級加工技術的成熟，新型的微納光電子材料與器件的研究異?；钴S。納米光電材料、光子晶體、超材料、表面等離子體器件等領域的研究成果豐碩，為未來光電子器件的微型化、集成化發(fā)展奠定了堅實的基礎。

綜上所述，光電子材料與器件在當代信息產業(yè)與科學技術中具有極其重要的地位，因此，光電子材料與器件這門課程不僅應當單獨作為一門課程獨立教學，而且應該作為重視工程教育的電科專業(yè)的核心課程。

2 光電子材料與器件課程教學研究

2.1 光電子材料與器件課程的教學形式、課時安排與教材選擇

光電子材料與器件課程不僅包含豐富的理論知識，例如光電子材料的物理特性以及光電子器件的工作原理等，而且與實際應用結合精密，因此，本課程宜采取理論教學與實驗教學相結合的教學形式。

在課時安排方面，作為電科專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，光電子材料與器件課程的總課時應不低于32學時（2學分），理論課學時不低于26學時，實驗課不低于6學時。

另外，在教材選擇方面，由于光電子材料與器件是光電子技術中的一部分內容，而目前國內關于光電子技術方向的參考書籍很多，其中亦不乏一些光電子技術課程的經典教材，例如西安電子科技大學安毓英主編的《光電子技術》[1]，西安交通大學朱京平主編的《光電子技術基礎》[2]等。雖然這些光電子技術參考書中或多或少都會介紹與光電子技術相關的材料與器件，但是，目前專門介紹光電子材料與器件方向的教科書卻是少之又少，市面上僅有國防工業(yè)出版社2012年出版的侯宏錄主編的《光電子材料與器件》[3]一書。加之，該書中所涉及的理論知識較深，基礎淺薄的本科生很難駕馭。由此可見，對于光電子材料與器件這門新興課程而言，設立統(tǒng)一的教材并不合適。因此，筆者建議該課程的講授教師根據理論教學與實驗教學的內容，自行編寫該課程的講義與課件。

2.2 光電子材料與器件課程的理論教學

按照電科專業(yè)的專業(yè)定位以及培養(yǎng)目標，光電子材料與器件課程的理論教學也應該突出“工程”內容。傳統(tǒng)的光電子技術教學中所重視的原理、定律與規(guī)律等內容，在光電子材料與器件教學中要弱化；而傳統(tǒng)光電子技術教學中往往被弱化乃至忽視的光電子材料與光電子器件的相關知識，要在光電子材料與器件課程教學中占主體地位。如此才能保證在有限理論課時的前提下，讓學生對光電子材料與器件有一個全面的認識。

在教學內容的設置方面，由于光電子材料與器件主要應用于光電子技術之中，因此，為了便于學生的理解與知識體系的構建，筆者建議光電子材料與器件課程理論教學的章節(jié)設置按照光電子技術的章節(jié)設置進行。以筆者講授光電子材料與器件理論課程（共26學時）為例，該理論課程共被分成了緒論（2學時）、激光原理與典型激光器（5學時）、太陽能電池（4學時）、光通信器件與材料（5學時）、光探測器件（5學時）、光電顯示器件（3學時）與光存儲器件（2學時）等七個章節(jié)，這七章內容基本囊括了光電子技術中光產生、光轉化、光傳輸、光探測、光顯示以及光存儲等各個重要環(huán)節(jié)中最為典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章內容的設置上，也盡可能突出“工程”內容，弱化“理論”知識。下面，筆者將詳細介紹筆者在光電子材料與器件教學中各章的教學內容。endprint

第一章緒論主要包括光電子材料與器件課程簡介以及光電子技術的基本知識簡介。在光電子材料與器件課程簡介中，向學生介紹課程設置的目的和意義、課程的主要內容、教學與考試方式與參考資料等。通過這部分內容的介紹，讓學生對本課程的意義、內容、側重點有一定的認識。在光電子技術基礎知識簡介中，重點向學生介紹光電子材料與器件與光電子技術的關系，并通過對光電子技術的概念、特征、發(fā)展等方面的介紹，讓學生對光電子技術以及光電子材料與器件有一個整體的認識。

第二章激光原理與激光器重點介紹幾種典型激光器的材料、結構與工作特性，其主要內容包括三個部分：激光原理簡述、典型激光器與激光器的應用。在激光原理簡述部分，由于多數電科專業(yè)在學習光電子材料與器件課程之前已經修過激光原理等類似課程，所以該部分內容為簡略介紹的內容，主要幫助學生回顧激光的特征、歷史與光輻射理論等知識點。而第二部分內容典型激光器是本章內容的重中之重，在該部分內容中，將依次向學生介紹固體、氣體、液體與半導體這四大類激光器中的典型激光器的結構、特征與工作特性等知識。由于發(fā)光二極管與半導體激光器結構與工作原理上的相似，在介紹完半導體激光器后，可以順理成章地介紹發(fā)光二極管的結構與特征。另外，本章最后還簡單介紹了激光器的幾種常見應用。

太陽能電池雖然是光電探測器中光伏效應的一種特殊應用，但是由于它在現如今光電子技術產業(yè)以及光電子器件中的重要地位以及良好的發(fā)展趨勢，該部分內容被獨立成一章。在第三章太陽能電池中，主要分兩小節(jié)給學生介紹，第一小節(jié)介紹當今能源與環(huán)境問題以及太陽能的開發(fā)和利用，讓學生了解當今能源資源的現狀以及新能源研究與應用的迫切需求，然后介紹太陽能利用的歷史以及發(fā)展趨勢；第二小節(jié)正式介紹太陽能電池的工作原理、結構以及特性等知識。

第四章光通信器件與材料主要介紹的是光通信系統(tǒng)中所用到的有源與無源光器件。本章內容共分為兩小節(jié)：第一小節(jié)介紹光纖通信的基礎知識，包括光纖通信的定義，光纖的結構、導光原理、發(fā)展歷史，以及光纖通信系統(tǒng)的組成與特點。第二小節(jié)正式介紹光纖通信系統(tǒng)中所用到的各類光電子器件以及構成這些器件的核心材料。在光纖通信中，最重要的器件當屬光纖，所以，本節(jié)開始就著重介紹光纖的相關知識，包括它的結構、原理、分類、特征參數與傳輸特性。然后，又將光纖通信系統(tǒng)中的其它光電子器件分為有源與無源器件兩類，并分別介紹了這兩類光器件中的代表器件：摻鉺光纖放大器與波分復用與解復用器。最后，在本章結尾還介紹了光纖通信系統(tǒng)中其它幾種常用光器件，例如光耦合器、光衰減器、光環(huán)行器等。

第五章光探測器首先介紹了光電探測器的物理效應、性能參數、噪聲；其次，按照光電探測器物理效應的不同一一介紹了幾種典型的外光電效應探測器（光電管與光電倍增管）與內光電效應探測器（光電導、光電池與光電二極管）。教學的重心仍然放在對探測器結構、工作原理以及特性等方面。

第六章光顯示器件重點介紹四種光顯示器：陰極射線管、液晶顯示器、等離子顯示器與電致發(fā)光顯示器。

第七章光存儲器件主要介紹了現如今最常用的一種光存儲系統(tǒng)—— 光盤系統(tǒng)以及其中最總要的器件光盤。

2.3 光電子材料與器件課程的實驗教學

光電子材料與器件實驗課程的教學要與理論教學緊密相連，并重點介紹理論課上講解過的光電子材料與器件，實驗課程的學時應不低于6學時，開設的時間最好在理論教學完成之后，以保證學生在實驗前已對實驗器件與實驗原理有一定的了解。在實驗項目的設定方面，既要保證與理論課程內容的相輔相成，又要盡量避免與其它課程實驗項目的重復，造成資源的浪費。例如，許多大學的電科專業(yè)都已經將激光原理一課作為該專業(yè)的核心專業(yè)課程，并配備了相應的激光器實驗。在這種情況下，如果在光電子材料與器件實驗教學中再次引入激光器的實驗內容，不僅消耗了寶貴的實驗時間，實驗效果也會大大降低。

下面跟大家簡單介紹筆者在光電子材料與器件實驗教學（6學時）中的實驗安排。

（1）實驗內容：共包含六個實驗項目，它們分別是：光控開關實驗、光照度計實驗、紅外遙控實驗、PSD位移測試實驗、太陽能充電實驗與光纖位移測量系統(tǒng)實驗（每個實驗1學時）。各實驗中都應用到了一個或幾個核心光電子器件，這些光電子器件基本涵蓋了學生在理論課程中所學到的最為重要的幾類器件，例如光控開關實驗應用到了光電探測器中的光敏電阻作為核心元器件；而紅外遙控實驗中用到了發(fā)光二極管光源與紅外探測器等光電子器件。

（2）實驗要求：以往的光電子技術實驗往往重視現象的觀察與定性分析，但經筆者調研，這種實驗方法很難最大限度激發(fā)學生的求知欲與動手能力，因此，在對原有的實驗指導書進行改良后，筆者自行編寫了實驗的指導書，并在每個實驗項目中加入了一些測量與定量分析的實驗內容。例如太陽能充電實驗，原來的實驗指導書只是觀察太陽能充電的效果，但是，在新改良的實驗指導書中，要求同學測量不同光源照射下太陽能電池的輸出電壓與輸出電流，并要求學生分析比較其差別。通過這種方式，充分調動學生的實驗積極性，在具體的實驗教學中也取得了很好的效果。

（3）實驗方式：分組實驗，共同撰寫實驗報告。這樣，不僅提高實驗效率，還能夠鍛煉學生的團隊協作意識。

（4）考核方式：根據每位學生實驗完成的情況與實驗報告撰寫的情況綜合評分。

3 結語

光電子材料與器件在信息產業(yè)的發(fā)展與現代科學的研究中都具有舉足輕重的地位。它不僅是電科專業(yè)知識體系中的重要環(huán)節(jié)，也為電科專業(yè)學生提供著良好的就業(yè)競爭力與科研基礎。本文通過對電子科學與技術專業(yè)特點與光電子材料與器件課程內容的分析，討論了光電子材料與器件在電科專業(yè)教育中的重要性，并根據筆者自身的授課經驗，提出了光電子材料與器件在電科專業(yè)中的教學形式、課時安排、教材選擇以及理論與實驗課程內容設置的一些意見與建議。

參考文獻

[1] 安毓英，劉繼芳，李慶輝.光電子技術[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 朱京平.光電子技術基礎[M].2版.北京：科學出版社，2003.

[3] 侯宏錄，陳海濱，劉纏牢，等.光電子材料與器件[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.endprint