微電子類相關(guān)專業(yè)半導(dǎo)體物理教學(xué)探討

王振　王培　王巍

摘 要 半導(dǎo)體物理是微電子類相關(guān)專業(yè)的核心重點課程，所涉及先修課程多、理論性強、學(xué)生不易掌握、半導(dǎo)體物理學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展迅速等問題，針對這些主要問題，結(jié)合學(xué)校微電子類相關(guān)專業(yè)建設(shè)重點課程的需要，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，結(jié)合科技前沿與研究熱點，培養(yǎng)學(xué)生的積極性與創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體物理 教學(xué)改革 教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G047 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2015）19-0007-02

從第一個半導(dǎo)體點接觸式晶體管發(fā)明以來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了國民經(jīng)濟重要的組成部分，世界各國均競相大力發(fā)展本國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期在國際舞臺的較量中爭得主動權(quán)。因此，它關(guān)系到國民經(jīng)濟整體效益和國家安全，關(guān)系國家前途的重要戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代半導(dǎo)體科學(xué)的迅猛發(fā)展、知識的不斷翻新、競爭的不斷深入、對人才素質(zhì)要求的不斷提高都給我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也給半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)教育提出了新的、更高的要求。

半導(dǎo)體物理主要介紹了半導(dǎo)體材料和器件中的重要物理現(xiàn)象，闡述了半導(dǎo)體物理性質(zhì)和理論，確定了半導(dǎo)體有關(guān)物理量的實驗方法。半導(dǎo)體物理是微電子類相關(guān)專業(yè)，如電子科學(xué)與技術(shù)、微電子、集成電路設(shè)計等專業(yè)核心重點課程，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)在機理是研究集成電路工藝、設(shè)計及應(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)理論及實踐的教學(xué)。但是，由于半導(dǎo)體物理的學(xué)科性很強，理論較為深奧，涉及知識點多，理論推導(dǎo)繁瑣，對于學(xué)生的數(shù)學(xué)物理的基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中存在一定的難度。因此，對授課教師提出了更高的要求，不僅要對半導(dǎo)體物理有充分的理解，還要熟悉半導(dǎo)體工藝和半導(dǎo)體集成電路設(shè)計。同時，必須針對目前教學(xué)過程中存在的問題與不足，優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，結(jié)合科技發(fā)展熱點問題，探索教學(xué)改革措施，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、優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容

重慶郵電大學(xué)采用的教材為劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》（第七版，電子工業(yè)出版社），該教材是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)精品教材。同時，半導(dǎo)體物理課程學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展極為迅速，新的理論和研究前沿不斷涌現(xiàn)，研究領(lǐng)域不斷擴展，學(xué)科交叉滲透性越來越強，知識更新也很快。針對以上問題，授課教師應(yīng)與時俱進，在保持課程知識結(jié)構(gòu)與整體系統(tǒng)性的同時，對教學(xué)內(nèi)容進行合理取舍，壓縮與其它課程重疊的內(nèi)容，刪除教材中相對陳舊的知識，密切跟蹤科技前沿與研究熱點，加入近幾十年來發(fā)展成熟的新理論、新知識，突出研究熱點問題，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)知識的同時能對半導(dǎo)體的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢有一個清晰的認(rèn)識，讓學(xué)生能從中掌握事物的本質(zhì)，促進思維的發(fā)展，形成技能；同時注重與信息化技術(shù)相結(jié)合，互聯(lián)網(wǎng)搜索最近幾年半導(dǎo)體技術(shù)的最新研究成果，以多媒體錄像及圖片的形式，使學(xué)生能及時掌握前沿發(fā)展趨勢，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。例如，在正式開始《半導(dǎo)體物理學(xué)》相關(guān)內(nèi)容課程教學(xué)前，應(yīng)將前置課程中重要的基本知識貫穿于教學(xué)過程中，以免造成學(xué)生認(rèn)識上的巨大跳躍感；在講解半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)前，增加適量學(xué)時講授近代理論物理知識，使學(xué)生了解原子中電子能級和電子殼層分布，掌握泡利不相容原理、玻耳茲曼分布律和玻爾頻率條件等微觀粒子運動的基本規(guī)律。這些都是學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體物理學(xué)》必備的知識，只有在透徹理解這些基本概念的前提下，才能對現(xiàn)有課程知識有更深入的了解和掌握。否則將造成學(xué)生理解上的障礙，最終導(dǎo)致學(xué)生失去繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。 因此在授課內(nèi)容的選擇、排列上要遵循循序漸進的原則。再例如在講授半導(dǎo)體元器件的結(jié)構(gòu)及性能時，適當(dāng)補充半導(dǎo)體器件的制備工藝，結(jié)合半導(dǎo)體器件的制備視頻，讓學(xué)生結(jié)合某種半導(dǎo)體器件分析其結(jié)構(gòu)與性能。

二、強調(diào)基本概念與物理模型，提高教學(xué)質(zhì)量

半導(dǎo)體物理課程涉及到的基本概念和物理模型較多，僅憑教材中的定義理解這些概念和模型，學(xué)生很難完全掌握。教師授課時應(yīng)重在與應(yīng)用相結(jié)合，以必需、夠用為度，結(jié)合實用性和先進性，力求內(nèi)容精簡、重點突出、概念明確、說理清晰。將書本上的理論推導(dǎo)與結(jié)論同相關(guān)實驗相結(jié)合，使學(xué)生對抽象的課堂相關(guān)知識能順利地轉(zhuǎn)化為直觀認(rèn)識，增強教學(xué)效果。實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn)，在理論教學(xué)的同時，適當(dāng)安排學(xué)生進行相關(guān)實驗操作，觀察實驗現(xiàn)象，既加深了對理論的認(rèn)識，鍛煉了動手能力，又能通過做實驗使學(xué)生切身體會到一個物理結(jié)論是怎樣體現(xiàn)了理論和實踐的完美統(tǒng)一，從中領(lǐng)悟出科學(xué)研究的普遍方法和過程。

部分深奧的物理模型，學(xué)生比較難以理解，教師應(yīng)運用恰當(dāng)?shù)念惐?，進行形象分析，加深學(xué)生對物理模型的理解，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如講電子能態(tài)密度以及電子密度的概念，部分學(xué)生較容易混淆的概念。為了幫助學(xué)生理解，教師可以通過教學(xué)樓里面的學(xué)生人數(shù)與半導(dǎo)體中的電子數(shù)目進行類比：同樓層不同的教室對應(yīng)不同的能態(tài)，教室里座位數(shù)對應(yīng)能態(tài)的數(shù)目，把學(xué)生當(dāng)作半導(dǎo)體中的電子。這樣計算電子能態(tài)密度就相當(dāng)于計算教室里單位面積的座位數(shù)，計算半導(dǎo)體電子濃度就相當(dāng)于計算教室單位面積內(nèi)學(xué)生人數(shù)。一個學(xué)生坐在某一排的某個座位上，即認(rèn)為這個電子態(tài)被電子占有。通過這種生動形象的類比，學(xué)生對這兩個概念的理解就清楚多了。半導(dǎo)體物理課程中理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)上的近似處理較多，繁瑣的公式推導(dǎo)增加了學(xué)生對物理模型理解的難度。物理模型和簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)用多媒體或視頻的形式展示給學(xué)生，復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)則采用黑板板書的形式加以講解，這樣能適當(dāng)?shù)匕盐锢砟Ｐ秃凸酵茖?dǎo)分開，使學(xué)生在徹底理解物理模型的基礎(chǔ)上掌握理論推導(dǎo)。

課前預(yù)習(xí)和課后練習(xí)也是提高課堂教學(xué)的兩個重要的環(huán)節(jié)。應(yīng)適當(dāng)給學(xué)生布置相關(guān)的課后作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生進行獨立思考，在下一堂課開始安排一定的時間進行個別回答或集體討論，及時解決學(xué)生的疑惑，從而形成可持續(xù)發(fā)展的模式。

三、考核方式的改革

為了客觀地評價教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，針對半導(dǎo)體物理課程特點，對考核方式作如下嘗試：1.考試是課程教學(xué)過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，平時成績是衡量學(xué)生平時學(xué)習(xí)表現(xiàn)的主要指標(biāo)，所以本課程考核方式之一采用期末試卷筆試與平時成績結(jié)合的方式；2.在授課過程中，針對課程的某些從實驗得出的理論結(jié)論，開放實驗室，讓學(xué)生分組協(xié)作完成實驗結(jié)驗證，從而將課本知識轉(zhuǎn)化為實踐動手能力。

四、結(jié)束語

總之，半導(dǎo)體物理是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)核心課，在教學(xué)過程中合理安排教學(xué)內(nèi)容，采用現(xiàn)代化教學(xué)手段，不斷進行教學(xué)改革，提高了半導(dǎo)體物理課程的課堂教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實的基礎(chǔ)，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的專業(yè)型人才。

參考文獻：

[1]湯乃云.微電子“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革的探索[J].中國電力教育，2012，（13）：59-60.

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

[3]劉德偉，李濤. 半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革探討[J].中國電力教育，2013，（34）：85-86.

基金項目：中地共建項目-重慶國際半導(dǎo)體學(xué)院教學(xué)團隊建設(shè)（2013.10-2015.12）；重慶國際半導(dǎo)體學(xué)院產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合培養(yǎng)模式研究與實踐（111023）。

（責(zé)任編輯 曾 卉）