“微電子器件”多元化教學(xué)方法的探索

陳 卉， 曾葆青， 文 毅， 張華斌

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院 電子信息學(xué)院， 廣東 中山 528402)

“微電子器件”多元化教學(xué)方法的探索

陳 卉， 曾葆青， 文 毅， 張華斌

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院 電子信息學(xué)院， 廣東 中山 528402)

本文依據(jù)“微電子器件”課程自身特點(diǎn)，嘗試使用選擇法、啟發(fā)式結(jié)合關(guān)聯(lián)法、類比法、實(shí)踐法和任務(wù)驅(qū)動(dòng)法等多種教學(xué)方法和手段，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際、專業(yè)發(fā)展需求和市場需求進(jìn)行教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

微電子器件；PN結(jié)；教學(xué)方法

“微電子器件”課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課。該課程的學(xué)習(xí)既需要大量基礎(chǔ)課程的知識(shí)點(diǎn)作為鋪墊，也是深入學(xué)習(xí)電子類專業(yè)課程的基礎(chǔ)。該課程中公式推導(dǎo)較為復(fù)雜，物理概念較為抽象且枯燥[1]。為了提高教學(xué)效果，改善課堂氛圍，吸引學(xué)生的興趣，我們認(rèn)為，采用多樣化的教學(xué)方式方法促進(jìn)教學(xué)是極有必要的。

1 選擇法教學(xué)

我?！拔㈦娮悠骷闭n程選用的教材主要涉及三大類基本器件(PN結(jié)，BJT，MOSFET)的內(nèi)容講解[2]。實(shí)際上，隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，新型器件層出不窮，適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充當(dāng)前較為流行的器件內(nèi)容，對于學(xué)生的專業(yè)的深入學(xué)習(xí)和就業(yè)是很有必要的。

例如，我校所處的珠三角作為LED生產(chǎn)的主要基地，在課程中適當(dāng)補(bǔ)充LED的知識(shí)，為學(xué)生的暑期實(shí)習(xí)和就業(yè)創(chuàng)造了很多機(jī)會(huì)。

另一方面，“微電子器件”課程需要用到大量基礎(chǔ)課程的知識(shí)，例如泰勒級數(shù)展開、微分方程求解、諾頓與戴維南定律、高斯定律和電流密度方程等等。筆者將相關(guān)知識(shí)總結(jié)在一起，提供給學(xué)生課下復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)，課堂上再適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生回憶，讓學(xué)生以已學(xué)習(xí)的知識(shí)為基礎(chǔ)，逐步深入學(xué)習(xí)，從而簡化了學(xué)習(xí)難度。由于授課學(xué)時(shí)的限制，主教材中一些較為復(fù)雜、對于本科階段應(yīng)用較少的內(nèi)容沒有做深入地講解或有意刪簡。授課內(nèi)容的選擇性教學(xué)，既滿足了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的需求，又與市場需求相結(jié)合，有利于學(xué)生的繼續(xù)深造和就業(yè)。

2 啟發(fā)式結(jié)合關(guān)聯(lián)法教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)是很多教師都會(huì)用到的教學(xué)方法。帶著問題學(xué)習(xí)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)的有效手段。如果在此基礎(chǔ)上，學(xué)生能把問題跟以前的知識(shí)和生活常識(shí)聯(lián)系起來，就更有利于學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的掌握了。對于PN結(jié)形成過程的講解，筆者設(shè)計(jì)了這樣幾個(gè)問題：均勻摻雜的P型半導(dǎo)體有什么特點(diǎn)？均勻摻雜的N型半導(dǎo)體有什么特點(diǎn)？把這兩種類型的半導(dǎo)體結(jié)合在一起會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？這種現(xiàn)象會(huì)一直持續(xù)下去嗎？為什么？基于半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)，兩種類型半導(dǎo)體的特點(diǎn)學(xué)生很快能回答出來。兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？如果學(xué)生不能馬上回答，筆者就采用關(guān)聯(lián)法提示學(xué)生，兩種濃度不一樣的糖水混在一起會(huì)怎么樣？溫度不同的兩種物體放在一起會(huì)怎么樣？學(xué)生會(huì)馬上想到擴(kuò)散原理。也就是P型半導(dǎo)體的多子空穴由于濃度差會(huì)向N型半導(dǎo)體中擴(kuò)散，N型半導(dǎo)體中電子同樣向P型半導(dǎo)體中擴(kuò)散。那么，這種擴(kuò)散現(xiàn)象會(huì)像糖水一樣，最后濃度均勻嗎？為什么？講解到這里，學(xué)生意見開始分化，給幾分鐘時(shí)間讓他們自己討論，筆者再采用關(guān)聯(lián)法進(jìn)行提示，正負(fù)電荷在空間上的分離會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？學(xué)生很快會(huì)聯(lián)系到“大學(xué)物理”中學(xué)到的起源于正電荷終止于負(fù)電荷的電力線。筆者再進(jìn)行具體講解，從而引出PN結(jié)、內(nèi)建電場和內(nèi)建電勢等器件的電學(xué)參數(shù)。同樣，在內(nèi)建電勢的講解上，又會(huì)讓學(xué)生關(guān)聯(lián)到“大學(xué)物理”中電場與電勢的關(guān)系。采用這種啟發(fā)式結(jié)合關(guān)聯(lián)法的教學(xué)方式，既能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，也能把新的抽象的知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟悉的知識(shí)，簡化了學(xué)習(xí)難度，加深了學(xué)生的理解。

3 類比法教學(xué)

PN結(jié)的很多電學(xué)特性是其它具有較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的基礎(chǔ)，本課程內(nèi)的BJT和MOSFET很多電學(xué)特性都是以PN結(jié)為基礎(chǔ)的。因此，讓學(xué)生用學(xué)到的知識(shí)體系來類比新的知識(shí)體系，將有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。例如，線性緩變結(jié)的自建電場是一個(gè)極為抽象而難以理解的概念，但是它的形成過程和PN結(jié)的形成過程極為類似，講解時(shí)可以與PN結(jié)類比。線性緩變結(jié)的特點(diǎn)是半導(dǎo)體摻雜不均勻，以傳統(tǒng)的擴(kuò)散工藝或者離子注入工藝進(jìn)行摻雜，半導(dǎo)體表面雜質(zhì)離子濃度高于體內(nèi)雜質(zhì)離子濃度。以P型半導(dǎo)體為例，類比PN結(jié)的形成過程，由于濃度差，多子空穴將由表面向體內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，表面留下不能移動(dòng)的帶負(fù)電的受主雜質(zhì)離子，體內(nèi)累積帶正電的空穴，正負(fù)電荷在空間上分離，形成一由體內(nèi)指向表面的電場；類比于PN結(jié)的內(nèi)建電場，該電場會(huì)阻礙多子空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，吸引少子電子由表面向體內(nèi)做漂移運(yùn)動(dòng)；類比于PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡，最后多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)也會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成一穩(wěn)定的自建電場?；谡n程特點(diǎn)，在教學(xué)中用到了大量的類比教學(xué)，效果顯著。

4 實(shí)踐法教學(xué)

只有理論知識(shí)的講解，不足以讓學(xué)生深刻地理解器件。我們通過加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的方式，利用IC解剖儀可以直觀的看到器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用晶體管特征圖示儀、開關(guān)參數(shù)測試儀、晶體管特征頻率測試儀等測試器件的電學(xué)參數(shù)，讓學(xué)生深刻理解器件電學(xué)參數(shù)的意義和影響因素，通過實(shí)物讓學(xué)生了解器件的外部封裝并能識(shí)別器件的類型等。近年來實(shí)驗(yàn)課程的比重也在逐步提高,以2013年為界，我校課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)變化如表1所示。

表1 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表

除此之外，為了體現(xiàn)學(xué)生的個(gè)體差異性，課程中引入了Silvaco的器件仿真軟件輔助教學(xué)。由于課程學(xué)時(shí)的限制，實(shí)施教學(xué)的方式與常規(guī)課程略有不同。筆者在第一次上課的時(shí)候擬定了幾個(gè)器件相關(guān)的課程設(shè)計(jì)題目，讓學(xué)生以分組的形式完成，并計(jì)入成績考核。這樣可以吸引一部分感興趣的學(xué)生主動(dòng)參與到課程學(xué)習(xí)中來；利用學(xué)院開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢，開設(shè)開放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對這部分有興趣的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。由于本門課程是考研相關(guān)課程，這種針對性的強(qiáng)化教學(xué)對于考研的學(xué)生有一定的幫助，并且相關(guān)課題可以作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，這樣有考研需要的學(xué)生可以提前完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。而成熟的仿真模型可以在課堂教學(xué)中演示給學(xué)生看，可以讓學(xué)生更直觀地看到器件參數(shù)對器件電學(xué)，光學(xué)等性能的影響，促進(jìn)課堂教學(xué)。

5 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)

在實(shí)踐教學(xué)中已經(jīng)提到，筆者會(huì)為學(xué)生提供幾個(gè)課程設(shè)計(jì)題目，讓學(xué)生一開始就帶著任務(wù)學(xué)習(xí)，以任務(wù)完成來鞭策學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)與此相關(guān)的課內(nèi)外知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程師意識(shí)和獨(dú)立解決問題的能力，在課程設(shè)計(jì)的過程中挖掘自己未知的潛力。例如音頻功率晶體管的研究與設(shè)計(jì)，給出設(shè)計(jì)要求：①通過對音頻功率晶體管功能需求的分析，對器件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完成對主要參數(shù)的理論核算；②確定基本參數(shù)指標(biāo)：BVCEO≥340 V，BVCBO≥350 V，β=110，ICEO≤5 uA；③完成工藝流程設(shè)計(jì)[3]。根據(jù)所學(xué)三極管的電學(xué)公式，計(jì)算出要達(dá)到給定技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)(基區(qū)寬度、發(fā)射區(qū)寬度、集點(diǎn)區(qū)寬度、基區(qū)摻雜濃度、發(fā)射區(qū)摻雜濃度以及集電區(qū)摻雜濃度等)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體核算方法可參考主教材《微電子器件》的第二版第四章雙極晶體管的設(shè)計(jì)。選擇合適的器件制備工藝，利用Silvaco完成器件工藝仿真及電學(xué)特性仿真，依據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，反復(fù)仿真核算，優(yōu)化參數(shù)至達(dá)到各項(xiàng)指定的技術(shù)指標(biāo)，完成器件版圖設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)流程下來，學(xué)生能深刻的理解器件的制備工藝及器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件性能的影響，抽象的理論知識(shí)具體化，不僅加深了學(xué)生對晶體管理論知識(shí)點(diǎn)的理解，也大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

6 結(jié)語

筆者在“微電子器件”課程的教學(xué)過程中，還用到很多其它的教學(xué)手段來輔助教學(xué)。例如，筆者設(shè)計(jì)了很多動(dòng)畫flash來模擬課程中較為抽象的物理模型，利用學(xué)院提供的數(shù)字化平臺(tái)為學(xué)生補(bǔ)充與課程相關(guān)的一些基礎(chǔ)課知識(shí)點(diǎn)，再如課程器件建模過程中反復(fù)用到的泰勒級數(shù)展開、三大器件的器件制備工藝以及PN結(jié)伏安特性的主教材以外的推導(dǎo)方法等，補(bǔ)充的知識(shí)點(diǎn)能幫助學(xué)生更全面、更深刻地理解課程。

總之，在教學(xué)過程中教無定法，不斷地摸索多元化的教學(xué)方法和手段，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，才能獲得良好的教學(xué)效果。

[1] 李娜，李斌．《晶體管原理》教學(xué)的一些思考[J]．廣州：中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢，2004，3(24)

[2] 陳星弼，張慶中．微電子器件(第3版)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012

[3] 李玉龍．高線性功率音頻晶體管設(shè)計(jì)[D]．成都：電子科技大學(xué)，2005

Study for Diversification Teaching Methods in Microelectronic Devices Course

CHEN Hui, ZENG Bao-qin, WEN Yi,ZHANG Hua-bin

(ElectronicEngineeringDepartment,ZhongShanInstitute,UniversityofElectronicScienceandTechnology，Zhongshan528402，China)

According to the course features of Microelectronic Devices, we have tried selection method, heuristic combined with associated method, analogy method, practice method, task-driven method and other teaching methods, with actual professional development of students, development needs and market demand for teaching. Better teaching effects have been achieved.

microelectronic devices; PN junction; teaching methods

2015-07-13;

2016-01- 04

電子科技大學(xué)中山學(xué)院教研基金項(xiàng)目(ZJY201501-35)。

陳 卉(1981-)，女，碩士，講師，主要從事微電子專業(yè)課程教學(xué)與研究，E-mail: 649419641@qq.com

A

1008-0686(2016)03-0097-03

中國分類號：TN30