Materials Studio輔助半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

李泓霖

摘 要：半導(dǎo)體物理學(xué)是物理電子類專業(yè)最重要的專業(yè)課之一，對(duì)其學(xué)習(xí)掌握的成效直接影響學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)?，F(xiàn)如今，半導(dǎo)體學(xué)科的飛速發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體物理學(xué)課程教學(xué)提出了新的高要求，其相應(yīng)的教學(xué)模式必須與時(shí)俱進(jìn)。針對(duì)許多高校目前存在的實(shí)驗(yàn)條件不足、相關(guān)設(shè)備配置不齊等情況，文章利用材料計(jì)算軟件搭建虛擬半導(dǎo)體學(xué)習(xí)平臺(tái)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)多媒體教學(xué)手段在相關(guān)學(xué)習(xí)過(guò)程中的諸多不足。實(shí)踐證明，這一方式能夠十分有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，顯著改善教學(xué)質(zhì)量。文章著重介紹了半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，隨后利用Materials Studio軟件實(shí)際展示了新教學(xué)模式下提高教學(xué)質(zhì)量的方法。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Materials Studio

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）11-0126-03

Abstract： Semiconductor physics is one of the most important specialized courses in physics and electronics and the mastery of it directly affects the cultivation of students' overall quality. Nowadays， the rapid development of semiconductor disciplines puts forward new high demands on the teaching of semiconductor physics courses and its corresponding teaching mode must keep pace with the times. In view of the fact that many colleges and universities currently have insufficient experimental conditions and related equipment configurations， this paper uses material computing software to build a virtual semiconductor learning platform to make up for the inadequacies of traditional multimedia teaching methods in the related learning process. Practice has proved that this method can effectively stimulate students' enthusiasm for learning and significantly improve teaching quality. This article focuses on the characteristics and status quo of semiconductor physics teaching， and then uses Materials Studio software to actually demonstrate the method of improving teaching quality under the new teaching mode.

Keywords： semiconductor Physics； Innovative teaching； Materials Studio

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的飛速發(fā)展，現(xiàn)已毫無(wú)爭(zhēng)議地成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)中最重要的組成之一，其不僅在高層面上關(guān)系到國(guó)家整體利益和國(guó)家安全問(wèn)題，而且在各國(guó)綜合國(guó)力的較量中舉足輕重，日益成為重要的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。例如，全球X86架構(gòu)CPU設(shè)計(jì)制造已被Intel和AMD掌控，以此賺取了巨額的利潤(rùn)。世界各國(guó)均極力發(fā)展本國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期在這場(chǎng)新的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)權(quán)[1]。目前，以舉全國(guó)之力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的韓國(guó)為例，其對(duì)Samsung公司從各方面給予了最大程度的扶持，這使得Samsung公司在近5年實(shí)現(xiàn)了彎道超車，其基于10nm的FinFET工藝制程已日臻成熟，甚至可以和發(fā)展了30年之久的臺(tái)積電相抗衡。而由我國(guó)并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)，其安裝了40960顆我國(guó)自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，其已多次登頂世界超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)榜首，展示了我國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的強(qiáng)大潛力和創(chuàng)新力?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展從一開(kāi)始就帶有競(jìng)爭(zhēng)的色彩，其不僅是發(fā)達(dá)國(guó)家保持領(lǐng)先的籌碼，更是我國(guó)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的重要機(jī)遇。2006年，全國(guó)科技大會(huì)頒布了《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》，其中提出自主創(chuàng)新、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家戰(zhàn)略，大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必將帶來(lái)新的契機(jī)?，F(xiàn)代半導(dǎo)體科學(xué)發(fā)展迅猛、知識(shí)快速迭代、競(jìng)爭(zhēng)持續(xù)加劇，這些都對(duì)相關(guān)人才綜合素質(zhì)提出了更高的要求，給半導(dǎo)體物理教育提出了新的要求。

半導(dǎo)體物理學(xué)是一門(mén)主要學(xué)習(xí)半導(dǎo)體材料特性及相關(guān)器件中載流子分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，主要論述半導(dǎo)體相關(guān)的理論及應(yīng)用[2]。半導(dǎo)體物理課程作為物理及電子類專業(yè)的理論基礎(chǔ)課，其掌握程度直接影響學(xué)生后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，比如傳感器應(yīng)用、新能源、光催化、太陽(yáng)能電池等。隨著近些年半導(dǎo)體材料技術(shù)在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，新材料、新體系、新結(jié)構(gòu)日益涌現(xiàn)，這些都對(duì)半導(dǎo)體物理課程教學(xué)提出了改革創(chuàng)新的新要求，在滿足自身發(fā)展和學(xué)生培養(yǎng)的前提下謀求新突破。我國(guó)高校目前大多重實(shí)用輕機(jī)理，在教學(xué)上注重學(xué)生實(shí)際操作能力的訓(xùn)練，對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)關(guān)注不夠。這就造成了許多電子信息類專業(yè)的學(xué)生對(duì)相關(guān)電子芯片的結(jié)構(gòu)工藝和工作原理不甚清楚。半導(dǎo)體物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)較為分散、涵蓋范圍廣、理論性強(qiáng)，對(duì)于剛接觸這門(mén)課的學(xué)生而言，在理解和應(yīng)用上都存在相當(dāng)?shù)碾y度[3]。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生面對(duì)諸如能帶結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)、載流子濃度等抽象概念的時(shí)候，只能憑想象去理解而無(wú)法建立直觀的感受，因此經(jīng)常產(chǎn)生畏難厭學(xué)情緒，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性十分不利，教學(xué)效果往往不能達(dá)到預(yù)期效果。

因此，針對(duì)半導(dǎo)體物理學(xué)課程本身的特點(diǎn)，分析不足之處，我們從教學(xué)內(nèi)容及方式等方面進(jìn)行了全新的探索和嘗試，試圖找尋出能使學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展并提高學(xué)生綜合素質(zhì)的方法。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)采用Materials Studio輔助即時(shí)化教學(xué)的方法可以使學(xué)生更好更快地接受理解半導(dǎo)體物理的相關(guān)概念。

一、半導(dǎo)體物理學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

半導(dǎo)體物理學(xué)所囊含的研究?jī)?nèi)容豐富，研究思路和手段前沿多變，而與之對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理教學(xué)的思路和模式都略顯滯后，難以滿足科技的發(fā)展和培養(yǎng)目標(biāo)的要求[4]。目前大多數(shù)高校選用劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》，最新已修訂到第7版。該書(shū)無(wú)疑是學(xué)習(xí)半導(dǎo)體知識(shí)最好的書(shū)籍之一，其偏重于理論推導(dǎo)，對(duì)高數(shù)和基礎(chǔ)物理要求較高。由于不同學(xué)校對(duì)相關(guān)聯(lián)課程安排的進(jìn)度和門(mén)類差異較大，有的甚至取消了量子力學(xué)和固體物理的學(xué)習(xí)，這不可避免地加大了半導(dǎo)體物理的教學(xué)難度，同時(shí)也使學(xué)生理解起相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候頗感壓力[5]。這就要求教師在課堂上兼顧大多數(shù)學(xué)生的現(xiàn)有水平及理解力，采取新的教學(xué)模式。目前半導(dǎo)體物理教學(xué)基本上還是采用傳統(tǒng)多媒體，比如PPT、視頻、動(dòng)畫(huà)等手段輔以板書(shū)等形式進(jìn)行，需要闡述的大部分知識(shí)點(diǎn)都是涉及到原子/分子尺度上的微結(jié)構(gòu)、微現(xiàn)象和微理論，這些知識(shí)抽象晦澀，傳統(tǒng)的講授模式缺少學(xué)生和知識(shí)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，不利于激發(fā)學(xué)生的探索精神和主觀能動(dòng)性，這些都或多或少地使得學(xué)生學(xué)習(xí)興致不高，課堂效率低下。因此，在半導(dǎo)體物理教學(xué)實(shí)踐中，著力探求新的授課方法和技術(shù)手段，提高課堂教學(xué)效率刻不容緩[6]。

我校物理相關(guān)專業(yè)本科畢業(yè)生有相當(dāng)一部分是以凝聚態(tài)物理和理論計(jì)算為主要方向繼續(xù)深造攻讀碩博士，而半導(dǎo)體物理學(xué)則是最基本的專業(yè)課，需要為后繼學(xué)習(xí)打下扎實(shí)牢靠的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)是將半導(dǎo)體的有關(guān)知識(shí)點(diǎn)以動(dòng)畫(huà)、圖形甚至是視頻資料的方式來(lái)進(jìn)行講解，在課堂上的演示能夠帶來(lái)較好的效果。學(xué)生能直觀地領(lǐng)會(huì)到半導(dǎo)體中相關(guān)物理狀態(tài)變化的過(guò)程，有效提高課堂效率。但是，需要說(shuō)明的是，這種傳統(tǒng)多媒體技術(shù)手段的本質(zhì)仍然是單向性的知識(shí)傳遞。意思就是在播放展示相關(guān)知識(shí)點(diǎn)之前，其相關(guān)資料已經(jīng)是做好了的，在課堂上只是簡(jiǎn)單的回放而已。無(wú)法做到實(shí)時(shí)顯示對(duì)相關(guān)概念、變量、參數(shù)作出改變后帶來(lái)何種影響。這在一定程度上使學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體物理課程無(wú)法有更深入的體會(huì)和理解，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)下快節(jié)奏高效率的高校授課大環(huán)境。

二、基于Materials Studio平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)探索

（一）實(shí)踐教學(xué)的探討

要對(duì)半導(dǎo)體物理學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革，就考慮到理論聯(lián)系實(shí)際這一不可或缺的環(huán)節(jié)?？梢韵胍?jiàn)，最好的方式是依托半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生開(kāi)設(shè)相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料及器件進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，例如利用霍爾效應(yīng)儀測(cè)量半導(dǎo)體材料的載流子遷移率、少子壽命等。然而這些實(shí)踐所需的設(shè)備往往價(jià)格較高，維護(hù)成本昂貴，操作復(fù)雜。為了解決這一現(xiàn)實(shí)性問(wèn)題，我們考慮用計(jì)算材料專業(yè)軟件搭建一種成本低、操作簡(jiǎn)單、界面人性化的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以代替實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相關(guān)教學(xué)實(shí)踐。這一模式在很多兄弟院校已經(jīng)得到了廣泛推廣，是一種目前人們積極探索的教學(xué)模式。

為搭建實(shí)踐平臺(tái)，我們需要確定一種可對(duì)半導(dǎo)體材料相關(guān)的電子能帶、光學(xué)特性、磁學(xué)特性、異質(zhì)結(jié)等特性進(jìn)行模擬的專業(yè)軟件，并通過(guò)實(shí)時(shí)圖形直觀展現(xiàn)相關(guān)結(jié)果的軟件平臺(tái)。具備這些功能的專業(yè)軟件有很多，Accelrys公司開(kāi)發(fā)的Materials Studio是其中優(yōu)秀的代表之一。Materials Studio中的Castep模塊廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬等多種材料，可研究包括表面結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、缺陷結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的眾多性質(zhì)。此外，Materials Studio圖形操作界面操作簡(jiǎn)便，環(huán)境友好，非常適于相關(guān)教學(xué)實(shí)踐和科學(xué)研究。本人在自己正講授半導(dǎo)體物理學(xué)的課堂里為他們加入了Materials Studio的相關(guān)應(yīng)用。下述將扼要介紹該軟件在課堂教學(xué)中的使用實(shí)例。

（二）實(shí)踐教學(xué)過(guò)程

能帶結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體物理中非常重要的概念，與之相關(guān)的知識(shí)則貫穿后續(xù)章節(jié)。對(duì)能帶理論和布里淵區(qū)的理解需要量子力學(xué)和固體物理相關(guān)知識(shí)的支持，這存在一定的難度。為此在這一環(huán)節(jié)最好讓學(xué)生自己計(jì)算一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)的能帶。通過(guò)將模型導(dǎo)入界面并運(yùn)行則可得到對(duì)應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)。結(jié)合最近研究熱點(diǎn)材料，MoS2為例，如圖1的所示的能帶圖，從其中可以計(jì)算出MoS2的禁帶寬度及導(dǎo)帶和價(jià)帶特征。此外，通過(guò)改變晶格常數(shù)或進(jìn)行摻雜處理后，其能帶圖有又相應(yīng)的變化，這使得學(xué)生能夠直觀地學(xué)習(xí)其中的關(guān)聯(lián)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中更可以加深了對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、布里淵區(qū)等知識(shí)點(diǎn)的理解，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

異質(zhì)結(jié)是半導(dǎo)體物理中另一個(gè)重要的概念，其是不同半導(dǎo)體接觸所形成的界面區(qū)域。可分為同型異質(zhì)結(jié)P-n或p-N結(jié)等。異質(zhì)結(jié)可以充分利用兩種半導(dǎo)體各自的優(yōu)良的特性，適于制作超高速開(kāi)關(guān)器件、太陽(yáng)能電池等。圖2所示為一種常見(jiàn)的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這種模型的建立是實(shí)時(shí)的，教師可以隨時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和幫助，能在最大程度上激起學(xué)生的好奇心，調(diào)動(dòng)他們的積極性，使學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)掌握知識(shí)，進(jìn)一步加深對(duì)能帶的理解。進(jìn)而提升授課質(zhì)量，提高學(xué)習(xí)效率，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

實(shí)踐環(huán)節(jié)的加入能夠明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，能夠進(jìn)一步啟發(fā)他們思考改變半導(dǎo)體材料各性質(zhì)的方法及相關(guān)理論。通過(guò)基于Materials Studio的實(shí)踐教學(xué)，可以明顯改善半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)效果。此外，還可以在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究性實(shí)踐。比如：對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜方面的研究，或者對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)改變、引入缺陷等，讓學(xué)有余力的學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)半導(dǎo)體研究涉及到的問(wèn)題，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和開(kāi)拓精神。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了專業(yè)計(jì)算軟件Materials Studio在教學(xué)實(shí)踐方面的應(yīng)用，結(jié)果顯示通過(guò)這種方式可以初步解決了半導(dǎo)體物理課程晦澀難懂的問(wèn)題，彌補(bǔ)我院實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。半導(dǎo)體物理是一門(mén)緊貼前沿科學(xué)、緊跟時(shí)代發(fā)展的課程，只有合理交叉利用各種傳統(tǒng)多媒體和專業(yè)軟件，才能易于被學(xué)生接受，收到事半功倍的效果。與學(xué)生交流與教學(xué)形式應(yīng)不拘一格，要積極將相關(guān)專業(yè)軟件的應(yīng)用納入到課堂之中，以期培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。最后，進(jìn)一步探索半導(dǎo)體物理教學(xué)的新模式，仍需廣大教育工作者不斷進(jìn)行積極的研究和探索。

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