半導(dǎo)體物理實驗教學(xué)探索與實踐

盛 威，許 英，吳伶錫

(湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南湘潭411201)

0 引言

“半導(dǎo)體物理學(xué)”是電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它主要介紹半導(dǎo)體材料和器件中的載流子分布及運動規(guī)律，闡述半導(dǎo)體理論及實驗方法。半導(dǎo)體物理作為微電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，其教學(xué)效果直接影響著后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)[1，2]。然而，目前我國高校工科專業(yè)大多重技術(shù)輕理論，在課程設(shè)置和教學(xué)上注重學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，輕視基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。具體到電子信息類專業(yè)，往往重電路設(shè)計輕半導(dǎo)體物理及器件的學(xué)習(xí)。這就造成很多學(xué)生盡管會設(shè)計電路，卻不了解電子元件和集成電路芯片的基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和工作原理。同時，由于半導(dǎo)體物理學(xué)理論性較強，知識點多，涉及范圍廣，對于沒有固體物理、量子力學(xué)等基礎(chǔ)知識背景的電子信息類本科生來說，在學(xué)習(xí)和理解上都存在一定的難度。在實際教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)，由于“半導(dǎo)體物理學(xué)”的知識點大多較為抽象，在缺乏實踐性環(huán)節(jié)的情況下，學(xué)生只能憑想象去理解而沒有直觀的感受，難以調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)效果也不理想。

1 虛擬半導(dǎo)體實驗室的構(gòu)想

要改進“半導(dǎo)體物理學(xué)”課程教學(xué)效果，就必須解決課程教學(xué)中理論聯(lián)系實際環(huán)節(jié)薄弱及教學(xué)手段單一的問題[3]。為此，一些高校依托微電子技術(shù)實驗室或半導(dǎo)體基礎(chǔ)實驗室為學(xué)生開設(shè)了半導(dǎo)體物理實驗，對典型半導(dǎo)體材料及器件的物理及電學(xué)性質(zhì)進行驗證性實驗，如四探針法測量半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率、半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)的觀測、載流子遷移率的測量及少子壽命測量等[4]。實驗可以改善教學(xué)效果和質(zhì)量，但實現(xiàn)這些實驗所需的設(shè)備往往成本較高且操作復(fù)雜，國內(nèi)許多高校暫不具備開設(shè)條件。要解決這一矛盾，需要一種成本較低、操作簡單且可以達到較好實踐教學(xué)效果的方式。為此，我們考慮用半導(dǎo)體材料和器件模擬平臺搭建虛擬半導(dǎo)體實驗室，以代替半導(dǎo)體基礎(chǔ)實驗室開展實踐教學(xué)。這一模式在國外一些高校已有探索，國內(nèi)也有高校嘗試以軟件輔助半導(dǎo)體實踐教學(xué)[5，6]。

為搭建虛擬半導(dǎo)體實驗室，我們需要一種可對半導(dǎo)體材料和器件的結(jié)構(gòu)、能帶特征、載流子遷移率及電導(dǎo)率等特性進行計算機模擬，并通過圖形直觀呈現(xiàn)實驗結(jié)果的軟件平臺。目前具備這些功能的軟件平臺很多，丹麥Q(jìng)uantumWise公司開發(fā)的Atomistix ToolKit(ATK)是其中的佼佼者。ATK是一款能夠模擬電子能帶結(jié)構(gòu)和電子輸運性質(zhì)的計算軟件，可處理的體系包括有機和無機半導(dǎo)體材料及器件、分子、團簇以及二維半導(dǎo)體晶體等。有超過150個大學(xué)和電子公司的研究組使用ATK進行半導(dǎo)體新材料及新器件的研發(fā)。由于ATK的內(nèi)置程序使用基于密度泛函理論的第一原理方法，模擬計算過程不依賴參數(shù)和物理模型，因此可處理的半導(dǎo)體材料及器件類型多樣化[7]。ATK附帶的圖形操作界面Virtual NanoLab(VNL)操作簡便，使得它不僅被廣泛用于納米材料與器件的科學(xué)研究，同時也是一款可用于相關(guān)課程教學(xué)的有力工具。

2 基于ATK平臺的實踐教學(xué)探索

2.1 實驗項目的開發(fā)

為了將ATK平臺的功能與半導(dǎo)體物理學(xué)實踐教學(xué)對接，筆者對照其操作手冊對各個功能模塊逐一試用，結(jié)合課程內(nèi)容，將可以利用ATK軟件包直接或間接處理的物理量進行挖掘和整合，初步擬定了四個實驗，分別是:①硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)仿真計算;②基于硅的N(P)型半導(dǎo)體載流子遷移率仿真測量;③本征與雜質(zhì)半導(dǎo)體電導(dǎo)率的仿真測量;④PN結(jié)的電輸運性質(zhì)模擬計算。為測試實際教學(xué)效果，筆者在自己正講授“半導(dǎo)體物理學(xué)”課程的2011級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生中挑選了一部分學(xué)生，為他們開設(shè)了基于ATK軟件平臺的實驗課。

2.2 實踐教學(xué)過程

在講解半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)時，硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)是非常重要的內(nèi)容，與之相關(guān)的知識幾乎貫穿著所有后續(xù)章節(jié)。載流子分布、半導(dǎo)體導(dǎo)電性的分析都要以硅為例展開，后續(xù)課程中有關(guān)半導(dǎo)體器件的構(gòu)造、工作原理和性能分析也大多要用到硅的電子結(jié)構(gòu)。精確的理解能帶理論和布里淵區(qū)的概念需要量子力學(xué)和固體物理的知識。由于電子類的學(xué)生沒有學(xué)過這兩門課程，對概念的理解存在一定的難度。為此筆者為本節(jié)課程加入了實踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生親手搭建硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)，計算并繪制其能帶結(jié)構(gòu)圖。

ATK平臺的數(shù)據(jù)庫自帶硅、鍺的晶格結(jié)構(gòu)，學(xué)生可在VNL界面對其進行調(diào)取和觀測。在對硅、鍺晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)、溫度及布里淵區(qū)中高對稱點進行定義之后，將模型導(dǎo)入ATK計算模塊并運行就可以得到這兩種半導(dǎo)體晶體的能帶結(jié)構(gòu)。在操作手冊及教師的幫助下，所有學(xué)生都順利地模擬出比教科書中更完整、更精確的如圖1的所示的硅、鍺能帶圖，從圖中可以讀取硅和鍺的禁帶寬度、間接帶隙及導(dǎo)帶和價帶特征。部分學(xué)生通過改變硅的晶格常數(shù)及摻雜后計算得到的能帶圖，看到了能帶與晶體結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)的關(guān)系。通過和教材上給出的圖形和數(shù)據(jù)進行對比，學(xué)生更直觀、清晰地了解了這兩種典型半導(dǎo)體材料的特性。同時，學(xué)生也可在定義參數(shù)的過程中加深了對硅的晶體結(jié)構(gòu)、布里淵區(qū)等概念的理解，為后續(xù)章節(jié)理解載流子在能帶中的分布、躍遷以及復(fù)合等更復(fù)雜的概念打好基礎(chǔ)。

圖1 用ATK計算得到的硅單晶能帶結(jié)構(gòu)圖

2.3 實踐教學(xué)效果分析

由于可以通過親手操作改變半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)，并在此過程中更直觀的了解半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和物理、電學(xué)特性，實踐環(huán)節(jié)的加入使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高;少部分學(xué)生甚至開始思考調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)以改變半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的方法及理論依據(jù)?？梢?，通過虛擬實驗室開展的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)明顯改善了半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)效果，達到了我們的預(yù)期目的。

筆者按照同樣的思路，在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性一章時，在實驗課中讓學(xué)生用ATK平臺搭建了以金屬為電極的半導(dǎo)體器件模型并計算其電輸運特性。模擬的結(jié)果以伏安曲線、透射譜的形式展示，讓學(xué)生以更加直觀的方式了解遷移率、電導(dǎo)率的概念。虛擬實驗室在加深學(xué)生對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的理解方面同樣起到了很好的作用。

3 引入研究性實踐

對于一部分基礎(chǔ)較好又對微電子技術(shù)感興趣的學(xué)生，我們可以在驗證性實驗的基礎(chǔ)上引導(dǎo)他們進行研究性實踐，將實踐內(nèi)容由驗證性模擬測試拓展到簡單的研究性開發(fā)。比如:在傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料中摻入不同濃度和不同種類的雜質(zhì)，或者調(diào)整原有晶體的結(jié)構(gòu)和引入缺陷等方式，讓學(xué)生更深入地了解半導(dǎo)體材料和器件的研發(fā)和生產(chǎn)過程中涉及到的問題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維以及對科學(xué)研究的興趣。由于ATK軟件可在納米尺度范圍內(nèi)進行模擬，我們還可以在實踐教學(xué)中將一些新興的半導(dǎo)體材料，如石墨烯、硅烯等二維半導(dǎo)體晶體等引入課堂，讓學(xué)生對半導(dǎo)體及微電子行業(yè)最新的發(fā)展有所了解。

4 結(jié)語

本文介紹的虛擬半導(dǎo)體實驗室初步解決了我院電子信息類專業(yè)半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理課程的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)缺失問題。讓學(xué)生在不依托半導(dǎo)體基礎(chǔ)實驗室的情況下也能直觀的觀測半導(dǎo)體材料和器件的結(jié)構(gòu)特征及物理、電學(xué)特性，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[1][美]施敏著，趙鶴鳴等譯.半導(dǎo)體器件物理與工藝(第二版)[M].蘇州:蘇州大學(xué)出版社，2004.

[2]劉恩科，朱秉升，羅晉生等.半導(dǎo)體物理學(xué)(第七版)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011.

[3]王印月，趙猛.改革半導(dǎo)體課程教學(xué)融入研究性學(xué)習(xí)思想[J].蘭州:高等理科教育，2003，1:69-71.

[4]皮孝東，楊德仁.培養(yǎng)半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才:基于研究的教學(xué)[J].北京:中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012，19:35-36.

[5]唐瑩，孫一翎.MATLAB在半導(dǎo)體課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].長春:長春理工大學(xué)學(xué)報(高教版)，2009，4(10):123-124.

[6]唐瑩，李萬清.L-EDIT軟件在“半導(dǎo)體器件”教學(xué)中的應(yīng)用，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報[J]，2010，32(6):108-109.

[7]J.M.Thijssen.Computational Physics[M].United Kingdom:Cambridge University Press，1999.