新能源材料與器件專業(yè)中“半導(dǎo)體物理與器件”課程教學(xué)

黃妞 孫盼盼 倪世兵 孫小華

摘 要 “半導(dǎo)體物理與器件”在以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的新型光電、能量存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域人才的知識結(jié)構(gòu)中具有重要基礎(chǔ)地位。本文從該課程在新能源材料與器件專業(yè)中的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，對該專業(yè)的“半導(dǎo)體物理與器件”教學(xué)內(nèi)容、方法、手段和考核形式做了些思考與實踐。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體物理 半導(dǎo)體器件 課程教學(xué)

中圖分類號：G647 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2010年，教育部批準(zhǔn)全國15所高校設(shè)置“新能源材料與器件”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)。2011年三峽大學(xué)獲批建設(shè)第二批新能源材料與器件本科專業(yè)并于2012年招生。雖然多數(shù)開設(shè)該專業(yè)的學(xué)校都設(shè)置了“半導(dǎo)體物理與器件”作為專業(yè)核心課程，但如何建設(shè)促進(jìn)該專業(yè)發(fā)展，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)人才發(fā)展的課程，在該課程建設(shè)實踐中有許多值得研究和探討的問題。

結(jié)合“半導(dǎo)體物理與器件” 知識點多理論性強(qiáng)應(yīng)用面廣，新能源材料與器件專業(yè)考研就業(yè)面分散，并結(jié)合三峽大學(xué)該專業(yè)軟件、實驗實踐平臺條件，淺談如何整合資源優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段和考核形式，提高教學(xué)質(zhì)量。

1“半導(dǎo)體物理與器件”課程及教學(xué)現(xiàn)狀

我校新能源材料與器件的“半導(dǎo)體物理與器件”課程采用陳治明等《半導(dǎo)體物理學(xué)簡明教程》為教材。綜合教材特點與教學(xué)實踐情況，對該課程教學(xué)存在的問題歸納如下：

1.1教材知識點多理論性強(qiáng)，學(xué)生很難吃透知識點

教材內(nèi)容包括半導(dǎo)體物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶、載流子及其輸運(yùn)、非平衡態(tài)、PN結(jié)、金-半接觸、異質(zhì)結(jié)和納米結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)、其它半導(dǎo)體效應(yīng)。編者前言中提到“大體上，講完全書至少需要80學(xué)時。學(xué)時不足50的情況下可只講前3章或前4章，學(xué)時稍有富余則可依次后延”。我校新能源材料與器件專業(yè)該課程為40理論學(xué)時，學(xué)時不足學(xué)生很難掌握知識點。

課程涉及內(nèi)容廣、概念多且抽象，知識點關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，物理模型推導(dǎo)復(fù)雜。一方面，學(xué)習(xí)該門課程所必需的量子力學(xué)初步和固體物理基礎(chǔ)內(nèi)容都為較難課程，許多同學(xué)存在知識結(jié)構(gòu)斷層。另一方面，該課程內(nèi)容編排上從本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體到N、P型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，再到各種半導(dǎo)體器件，采取層層推進(jìn)的方式，要求學(xué)生扎實地掌握每一部分的核心內(nèi)容，如果沒消化吸收一些知識點很快就跟不上進(jìn)度。

1.2實驗實踐平臺限制，學(xué)生很難理論聯(lián)系實踐

以硅、鍺、砷化鎵、碳化鎵為代表的半導(dǎo)體，它們的生產(chǎn)設(shè)備非常昂貴，普通高校不能負(fù)擔(dān)起搭建其生產(chǎn)檢測工藝線。此外，半導(dǎo)體材料與器件的應(yīng)用越來越廣泛，實驗室設(shè)備很難做到同步更新。另外，比起龐大且龐雜的半導(dǎo)體材料特性測試、半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，該課程實驗課的學(xué)時也遠(yuǎn)不夠開設(shè)與之協(xié)調(diào)的實驗項目。該課程是一門理論與應(yīng)用相結(jié)合的課程，僅僅從課本上學(xué)習(xí)相關(guān)知識，難以理論聯(lián)系實際，學(xué)生學(xué)起理論知識來亦覺得枯燥、乏味。

2“半導(dǎo)體物理與器件”教學(xué)改革探索與實踐

如何結(jié)合半導(dǎo)體物理與器件的課程特點、新能源材料與器件人才培養(yǎng)目標(biāo)和實驗實踐平臺，整合資源力爭在有限的學(xué)時和平臺給予學(xué)生最切實的幫助。2016-2018年，我校新能源專業(yè)與器件畢業(yè)生中約1/3繼續(xù)攻讀材料學(xué)方面的研究學(xué)位，約1/3于鋰離子電池方向就業(yè)，約1/3到LED、光伏、基礎(chǔ)工程建設(shè)部門工作，亦有少量同學(xué)從事非材料學(xué)科的工作?；谠搶I(yè)就業(yè)去向?qū)挿?，確立了以"加強(qiáng)基礎(chǔ)、重視應(yīng)用、培養(yǎng)能力"為指導(dǎo)思想，以半導(dǎo)體材料和器件于新能源中的應(yīng)用為導(dǎo)向，以改革理論、實驗教學(xué)、課程設(shè)計、課題研究與教學(xué)模式為抓手，逐步提升該課程的建設(shè)。

2.1分層次組織教學(xué)內(nèi)容

第一層次基礎(chǔ)知識鋪墊，在講授半導(dǎo)體物理與器件之前要進(jìn)行固體物理學(xué)相關(guān)課程知識的鋪墊，還要增加量子力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識，為學(xué)生構(gòu)建完整的知識框架，降低認(rèn)知落差。

第二層次半導(dǎo)體物理與器件基本理論，包括熱平衡和非熱平衡半導(dǎo)體的基本性質(zhì)、半導(dǎo)體PN結(jié)、常見半導(dǎo)體材料與器件的工作原理和應(yīng)用。然而，半導(dǎo)體器件品類繁多工作原理不盡相同，同時新材料、新器件、新原理層出不窮，且因課時的限制和專業(yè)不同定位，必然使得該層次的內(nèi)容有所刪減和突出。以我校新能源材料與器件為例，考慮到約1/3的學(xué)生畢業(yè)后去鋰電行業(yè)工作，這些行業(yè)需要掌握半導(dǎo)體材料方面的相關(guān)知識：能帶結(jié)構(gòu)、載流子濃度和電導(dǎo)率；亦有學(xué)生去LED、光伏、光電探測、激光半導(dǎo)體等領(lǐng)域，這些行業(yè)需要掌握半導(dǎo)體材料方面的相關(guān)知識：非平衡載流子及其壽命、半導(dǎo)體的光吸收；也需要掌握半導(dǎo)體器件方面的相關(guān)知識：PN結(jié)和金半接觸?？紤]到幾乎沒有學(xué)生從事集成電路、電子芯片等領(lǐng)域的工作。我們在課時有限的情況下，沒有講授三極管、MIS、MOS和場效應(yīng)晶體管的相應(yīng)內(nèi)容，只講授了教材前5章的內(nèi)容，同時沒有講授強(qiáng)電場中的載流子輸運(yùn)、電導(dǎo)統(tǒng)計理論、半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率，卻增加了紫外可見分光光度計測半導(dǎo)體光吸收、LED的工作原理。

第三層次實驗和課程設(shè)計內(nèi)容建設(shè)，設(shè)置若干基礎(chǔ)實驗讓學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料的基本特性，如：電阻率與溫度、摻雜與極性、能帶結(jié)構(gòu)與光吸收、額外載流子壽命等；掌握半導(dǎo)體器件核心——二極管電流——電壓曲線測試、三極管和場效應(yīng)晶體管的放大效應(yīng)測試，深化對半導(dǎo)體物理與器件理論知識的認(rèn)知。若有條件可以開設(shè)太陽能電池、LED、集成電路等制備實驗。以我校半導(dǎo)體物理與器件課程為例， 8學(xué)時實驗課我們結(jié)合了自身實驗室的條件開設(shè)了紫外可見分光光度計測光學(xué)帶隙和光電導(dǎo)測少子壽命兩個實驗，分別促進(jìn)學(xué)生對半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和本征吸收、載流子與其壽命理論知識的掌握并培養(yǎng)學(xué)生的動手測試分析能力。與此同時，半導(dǎo)體物理與器件對應(yīng)有2周的課程設(shè)計，在這兩周內(nèi)學(xué)生要完成如ZnO、ZnS、Bi3O4、TiO2、NiO、SnO2等中某種半導(dǎo)體相關(guān)生調(diào)研文獻(xiàn)、制備、物相形貌分析、光吸收和發(fā)光特性的測試和分析。此外，該專業(yè)開設(shè)了“光伏器件與檢測”這門課程，該課程包含了與光伏器件檢測相關(guān)的8個實驗；另外開設(shè)了材料制備與材料性能測試的綜合實驗，這些實驗中包含了一些薄膜制備實驗，例如熱蒸發(fā)和磁控濺射制備半導(dǎo)體器件中的接觸電極和減反射膜。然而由于平臺限制，我們無法讓學(xué)生體會半導(dǎo)體器件的制備——檢測的全過程，例如制備晶硅太陽能電池、氮化鎵LED二極管，實有遺憾。

第四層次為開展課題式實踐教育，鼓勵學(xué)生利用課余時間進(jìn)入實驗室并作為畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容提前開始，利用已學(xué)理論與實踐對行業(yè)熱點問題進(jìn)行思考和探究，進(jìn)一步培養(yǎng)實踐能力。教師對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)并對指導(dǎo)及相關(guān)信息備案，促進(jìn)教學(xué)進(jìn)一步深化。

2.2教學(xué)模式、方法和考核方式的不斷更新

（1）正確處理物理模型和數(shù)學(xué)分析的關(guān)系，不讓學(xué)生迷失在公式推導(dǎo)的海洋里，強(qiáng)調(diào)對物理結(jié)論的正確理解和應(yīng)用。（2）利用現(xiàn)代化的教學(xué)設(shè)施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發(fā)式、探究式教學(xué)，調(diào)動學(xué)生積極主動性。（3）鼓勵課后網(wǎng)上學(xué)習(xí)，發(fā)揮線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，利用網(wǎng)絡(luò)交互系統(tǒng)管理，即時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的問題并即時解答；（4）改善考核體制，將過程納入平時成績并加大其比重。然而，只有部分高校的少部分專業(yè)具備人力物力搭建——管理——維護(hù)“網(wǎng)絡(luò)交互系統(tǒng)”。以我們專業(yè)為例，網(wǎng)上交互學(xué)習(xí)平臺有限。因此我們：①建立學(xué)習(xí)小組（6-8人/組），每個章節(jié)講完后就對應(yīng)重點內(nèi)容布置作業(yè)，組員間互改互評作業(yè)并納入平時成績，問題集中后老師重點講評，讓學(xué)們牢牢掌握重點內(nèi)容不掉隊；②對于與就業(yè)有關(guān)的內(nèi)容列出專題，例如：光伏電池、光電探測、LED和激光器，以小組為單位調(diào)研資料深化對專題的認(rèn)識，并以PPT形式匯報，過程納入平時成績。

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