淺談西部理工院校半導(dǎo)體物理教學(xué)

（桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004）

摘要：半導(dǎo)體物理課程是應(yīng)用物理專業(yè)非常重要的專業(yè)必修課，這門課程比較抽象，理論性、邏輯性較強(qiáng)，對(duì)半導(dǎo)體物理教學(xué)內(nèi)容和方式的整合和講授有一定難度。本論文依據(jù)西部地區(qū)理工科院校的培養(yǎng)方案和國內(nèi)外先進(jìn)的教育理念，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和探索精神，提高教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生綜合利用知識(shí)的能力。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；教學(xué)效果；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）13-0167-02

半導(dǎo)體物理是固體物理學(xué)的一個(gè)重要分支，主要闡述半導(dǎo)體的基本物理理論和基本物理性質(zhì)以及當(dāng)前各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子輸運(yùn)過程的學(xué)科，是應(yīng)用物理學(xué)的新器件和新材料技術(shù)方面的基礎(chǔ)學(xué)科，現(xiàn)已成為現(xiàn)代新器件、新材料的基本物理理論基礎(chǔ)，為后人研制半導(dǎo)體新器件和新材料實(shí)現(xiàn)特殊性能提供解釋物理機(jī)理和指導(dǎo)方法，將物理的基本理論和實(shí)際應(yīng)用之間建立橋梁。半導(dǎo)體物理課程的開設(shè)為以后學(xué)生從事電子行業(yè)提供了基本理論知識(shí)。相對(duì)于西部落后地區(qū)一般本科院校的學(xué)生來說，他們的專業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。但是，學(xué)習(xí)這門課程需要較強(qiáng)的基礎(chǔ)功底，《量子力學(xué)》、《固體物理》這些比較難學(xué)的課程必須學(xué)好，因此出現(xiàn)學(xué)生課堂不愿上課，這極大地影響到教師的積極性，增加了教學(xué)的難度。為了更好地講授半導(dǎo)體物理課程，讓學(xué)生對(duì)這門課程知識(shí)的理解和掌握達(dá)到教學(xué)目的的要求，筆者結(jié)合西部落后地區(qū)一般本科院校學(xué)生的實(shí)際情況，并針對(duì)在應(yīng)用物理專業(yè)的半導(dǎo)體物理課程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題淺談自己的看法。

一、構(gòu)建合理的教學(xué)內(nèi)容，提高課程教學(xué)的有效性研究

1.修訂教學(xué)大綱。根據(jù)光電子、微電子兩個(gè)專業(yè)方向后續(xù)課程的需要及參加研究生入學(xué)資格考試應(yīng)掌握的基本知識(shí)，兩個(gè)專業(yè)方向的教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配有所不同，選擇適合學(xué)生特點(diǎn)的教材以及教學(xué)大綱。在半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、載流子和非平衡載流子、半導(dǎo)體PN結(jié)器件等相關(guān)重點(diǎn)、難點(diǎn)、概念，以及一些參考資料、作業(yè)題和思考題，需要合理安排教學(xué)計(jì)劃及對(duì)應(yīng)學(xué)時(shí)的分配。針對(duì)半導(dǎo)體的教學(xué)內(nèi)容，需要開展該課程教學(xué)研討活動(dòng)，著重強(qiáng)調(diào)半導(dǎo)體物理理論用在實(shí)踐中。授課教師應(yīng)根據(jù)該學(xué)科發(fā)展的方向、教學(xué)改革和實(shí)踐的變化等情況，不定期修訂教學(xué)大綱。針對(duì)半導(dǎo)體物理學(xué)課程的教學(xué)上，由于該課程的理論分析（包括能帶理論、半導(dǎo)體的電子傳輸理論等）非常深?yuàn)W，公式的推導(dǎo)比較多，對(duì)于基礎(chǔ)相對(duì)較差的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)起來非常吃力，而且枯燥乏味。我們經(jīng)過比較分析現(xiàn)有眾多半導(dǎo)體物理教材后，采用高等學(xué)校工科電子類（電子信息類）規(guī)劃教材《半導(dǎo)體物理學(xué)》，由西安交通大學(xué)劉恩科等編寫。該教材半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識(shí)比較全面體現(xiàn)突出物理概念，強(qiáng)調(diào)基本分析方法，沒有很多煩瑣的公式推導(dǎo)，可讀性強(qiáng)，便于自學(xué)。目前很多高校都在使用該教材[1]。

2.激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。采用研究型課堂教學(xué)為學(xué)生提供了發(fā)現(xiàn)問題、研究和解決問題的基本程序，并提供了實(shí)踐機(jī)會(huì)，豐富了學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生在今后工作中開拓創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因?yàn)閷W(xué)生將來希望從事IT行業(yè)，比如太陽能電池、超大規(guī)模集成電路、LED顯示等，因此，在課程起始階段，教師介紹半導(dǎo)體的學(xué)科發(fā)展，結(jié)合半導(dǎo)體在太陽能電池、超大規(guī)模集成電路、LED顯示等方面的應(yīng)用，給學(xué)生提供學(xué)習(xí)思路框架，用簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系指明各個(gè)學(xué)習(xí)點(diǎn)和概念的相互關(guān)系，使學(xué)生知識(shí)的來龍去脈有整體的把握，使他們了解課程的重要性以及提高對(duì)這門課程的興趣。做到較快地掌握教材中給出的很多結(jié)論，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)的效果[2]。

3.合理使用現(xiàn)代化教學(xué)手段。在教育現(xiàn)代化、信息化的今天，以多媒體與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的信息技術(shù)是當(dāng)代教育改革的制高點(diǎn)，多媒體技術(shù)以圖文并茂、聲像俱佳、動(dòng)靜皆宜的表現(xiàn)形式走進(jìn)課堂，所以運(yùn)用多媒體技術(shù)教學(xué)可以很好地對(duì)解決常規(guī)課堂教學(xué)中難以解決的難點(diǎn)[3]。但在半導(dǎo)體物理教學(xué)中，如果一味地使用多媒體課件，盡管很多圖片都非常的逼真、形象，讓學(xué)生能夠更好地理解。如第一章中學(xué)習(xí)有關(guān)載流子濃度的計(jì)算，對(duì)掌握晶體的能帶結(jié)構(gòu)，熟悉硅、鍺、砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)特征，包括禁帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶等基本概念的理解來說都非常形象，利用多媒體動(dòng)畫，就可以清楚地展示出原子排列結(jié)構(gòu)如何從一個(gè)原子到多個(gè)原子的公有化運(yùn)動(dòng)形成能帶，但是多媒體教學(xué)忽略了學(xué)生的感受和接受能力，違背了教學(xué)規(guī)律。針對(duì)這些問題，在課堂教學(xué)中必須先啟發(fā)學(xué)生的對(duì)半導(dǎo)體物理思維，在學(xué)生建立對(duì)半導(dǎo)體的求知欲之后，適當(dāng)運(yùn)用多媒體技術(shù)圖文并茂、聲像俱佳、動(dòng)靜皆宜的優(yōu)勢(shì)，將教學(xué)過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)概念傳授給學(xué)生。如在講解半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，通過多媒體課件展示并結(jié)合板書，這樣學(xué)生更容易接受相關(guān)理論的精髓。只有將教師在課堂中的板書與多媒體技術(shù)結(jié)合起來，才能獲得非常好的教學(xué)效果。

二、緊跟學(xué)科前沿，結(jié)合科研實(shí)際適當(dāng)把前沿知識(shí)引入課堂

在半導(dǎo)體物理教學(xué)組織管理方面，采用傳統(tǒng)的理論講述、練習(xí)習(xí)題課、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合的形式，理論講授課由主講教師講授半導(dǎo)體物理的基本概念和基本分析方法。專門開設(shè)習(xí)題課，負(fù)責(zé)復(fù)習(xí)和鞏固理論課講授的內(nèi)容，并通過綜合練習(xí)提高學(xué)生的分析問題的能力。但是不能單純講解理論知識(shí)，而是要結(jié)合教師和學(xué)生的科研實(shí)踐對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行深入的解析，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。將教學(xué)與科研相結(jié)合，讓學(xué)生了解半導(dǎo)體物理學(xué)科的研究前沿。比如在講解能帶論與半導(dǎo)體相關(guān)器件時(shí)，可以引入現(xiàn)代科技進(jìn)展，結(jié)合自己主持的半導(dǎo)體器件相關(guān)科研項(xiàng)目，如電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器（RRAM）作為一種新型的非易失性存儲(chǔ)器，其原理是過渡金屬氧化物在不同極性的外電壓脈沖作用下誘導(dǎo)出不同電阻態(tài)的效應(yīng)。由于電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器擁有高速、高密度、低功耗、制備簡(jiǎn)單、半導(dǎo)體工藝兼容性好等優(yōu)秀的性能，引起人們廣泛的關(guān)注，有望替代目前市面上的磁存貯器，成為下一代的通用存儲(chǔ)器，其熱點(diǎn)集中在性能及機(jī)理的研究上。另外一些研究通過設(shè)計(jì)成pn結(jié)器件，制備成十字交叉結(jié)構(gòu)憶阻器件，以實(shí)現(xiàn)高的器件密度以及解決讀寫誤讀的想象。從眾多的有關(guān)半導(dǎo)體中基本的晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)、能帶理論和半導(dǎo)體的電子輸運(yùn)性質(zhì)，提出了不同的模型來解釋這一電阻開關(guān)現(xiàn)象，相應(yīng)的機(jī)理包含傳導(dǎo)燈絲導(dǎo)通模型，空間電荷束縛模型，電致氧空位遷移機(jī)制，肖特基勢(shì)壘模型等，而電極效應(yīng)是指電極與薄膜材料的界面處由表面態(tài)導(dǎo)致的電阻轉(zhuǎn)變的機(jī)理。另外在講解半導(dǎo)體發(fā)光，以及光電效應(yīng)時(shí)，可以引入到目前太陽能發(fā)光，LED發(fā)光等應(yīng)用非常廣的領(lǐng)域，從而激發(fā)學(xué)生的科研能力，促進(jìn)學(xué)生素質(zhì)的全面提高，為學(xué)生以后從事科研或者相關(guān)工作打下一定的基礎(chǔ)。

三、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是應(yīng)用性人才培養(yǎng)的重要保證，針對(duì)半導(dǎo)體物理實(shí)踐課來說，其實(shí)是半導(dǎo)體課程的最重要部分，通過實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握和體會(huì)半導(dǎo)體物理理論對(duì)現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體知識(shí)的理解，讓學(xué)生樹立理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)和工作作風(fēng)，提高學(xué)生綜合分析解決問題的能力。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中，因內(nèi)容過分偏重于基礎(chǔ)訓(xùn)練，所以在方法和手段上很單調(diào)，主要以模仿為主，缺少設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性。在教學(xué)內(nèi)容上，適當(dāng)增加了綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，如果恰當(dāng)?shù)厥褂弥庇^、形象物理圖像，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，縮小理論與實(shí)際的差距，縮短學(xué)生的認(rèn)識(shí)過程，會(huì)提高課堂教學(xué)質(zhì)量。這樣也可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，推進(jìn)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)和合作實(shí)驗(yàn)。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量半導(dǎo)體體電阻率、MOS結(jié)構(gòu)C-V測(cè)量、為霍爾效應(yīng)及半導(dǎo)體相關(guān)參數(shù)測(cè)量，通過這些實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握幾種基本量測(cè)量方法以及數(shù)據(jù)處理的方法；熟悉基本的分析問題和解決問題方法及常用儀器的使用；在實(shí)驗(yàn)中綜合運(yùn)用所學(xué)的半導(dǎo)體物理學(xué)基本知識(shí)以及其他相關(guān)知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)際操作以及綜合實(shí)驗(yàn)的能力，使科學(xué)研究的方法和探索解決問題的能力得到更好的培養(yǎng)，進(jìn)而達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

四、結(jié)束語

半導(dǎo)體物理作為應(yīng)用物理、光電子和微電子專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，半導(dǎo)體物理教學(xué)改革是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程，我們通過對(duì)半導(dǎo)體物理教學(xué)模式、內(nèi)容、方法和手段的改革進(jìn)行了一些有意義的整合與改進(jìn)，同時(shí)不斷提高自身的能力，可以逐漸形成適應(yīng)應(yīng)用型本科院校辦學(xué)定位的新的教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李新宇（1981-），漢族，湖南人，博士研究生，副教授，研究方向：半導(dǎo)體薄膜與器件。