淺談《半導(dǎo)體物理與器件》課程的教學(xué)改革

張芳 任大慶 張納

摘要：《半導(dǎo)體物理與器件》是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中引入科研動態(tài)、CASTEP模擬計算、實驗教學(xué)及微信公眾號。通過CASTEP模擬計算半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和摻雜，3D結(jié)構(gòu)可視直觀，使學(xué)生更加深刻的理解半導(dǎo)體中的抽象概念。將理論付諸于實踐，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實際解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理與器件；CASTEP模擬；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0133-02

一、引言

微電子集成電路（IC）作為半導(dǎo)體科學(xué)的應(yīng)用分支是20世紀(jì)人類科技史最偉大的發(fā)明之一。以IC為代表的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，在推動經(jīng)濟發(fā)展、社會進步、提高人民生活水平以及保障國家安全等方面發(fā)揮著日益重要的作用。

《半導(dǎo)體物理與器件》課程是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，也是當(dāng)今發(fā)展迅速IC技術(shù)的基礎(chǔ)，闡述半導(dǎo)體物理特性和相關(guān)器件[1]。課程涵蓋知識內(nèi)容繁多，物理概念抽象，公式推導(dǎo)眾多，有一定的深度和難度，是理論性和實踐性并重的課程。該課程是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)和應(yīng)用物理專業(yè)的一門非常重要的核心必修專業(yè)課，具有較強的理論性、實踐性、前沿性和科研性?！栋雽?dǎo)體物理與器件》的教學(xué)效果與學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和就業(yè)以及未來發(fā)展的方向緊密相關(guān)[1]。因此，開展《半導(dǎo)體物理與器件》的教學(xué)改革，為企業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才，具有重要意義[2]。

二、半導(dǎo)體物理與器件教學(xué)中面臨的問題

目前，在該課程的教學(xué)過程中，主要存在以下問題。

1.總學(xué)時較少，學(xué)生基礎(chǔ)知識水平參差不齊?！栋雽?dǎo)體物理與器件》涵蓋了量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體材料物理以及半導(dǎo)體器件物理等內(nèi)容，主要介紹晶格結(jié)構(gòu)、固體量子理論初步、平衡態(tài)半導(dǎo)體、非平衡態(tài)半導(dǎo)體、載流子輸運現(xiàn)象、同質(zhì)p-n結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、異質(zhì)結(jié)以及MOSFET等幾種核心半導(dǎo)體器件[3]。教材涉及的知識面廣，內(nèi)容多，學(xué)時少；在較少的課時中很難將內(nèi)容全面展開講授。同時學(xué)生的先修課程《高等數(shù)學(xué)》《固體物理》以及《量子力學(xué)》基礎(chǔ)知識水平參差不齊，學(xué)生在學(xué)習(xí)掌握本門課程時，表現(xiàn)出較大的不均衡性。

2.課程內(nèi)容抽象，教學(xué)方式缺乏吸引力。在傳統(tǒng)的《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)中，理論計算、公式推導(dǎo)和分析處于主導(dǎo)地位。教學(xué)過程中涉及的公式推導(dǎo)較多，物理概念較為抽象，同時教師主要采取傳統(tǒng)講解的教學(xué)方式。這類單一的教學(xué)方式很難讓學(xué)生理解透徹，學(xué)生在進一步深入學(xué)習(xí)時倍感吃力，使學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的動力。

3.學(xué)生只注重半導(dǎo)體物理理論知識的學(xué)習(xí)，動手能力差，不能將理論與實踐相結(jié)合。對于半導(dǎo)體物理與器件這門課程，學(xué)生進行相關(guān)實驗操作或日常實踐的機會很少，難以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，使理論與實踐相背離。

三、半導(dǎo)體物理與器件的教學(xué)改進方法

1.追蹤科研和學(xué)科研究動態(tài)，補充教學(xué)內(nèi)容。在授課過程中主動引導(dǎo)學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。根據(jù)學(xué)科的發(fā)展方向，不斷更新課程內(nèi)容，引入半導(dǎo)體的發(fā)展歷史以及發(fā)展方向，完善學(xué)生的系統(tǒng)認(rèn)知，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。充分利用學(xué)生的課余時間，布置幾個與半導(dǎo)體前沿相關(guān)的題目，如半導(dǎo)體加工工藝近況調(diào)研、新型半導(dǎo)體器件應(yīng)用情況分析、典型半導(dǎo)體發(fā)展歷史等。讓學(xué)生選擇一個感興趣的知識點，在圖書館或網(wǎng)絡(luò)中自行查閱科研動態(tài)和參考文獻，并在課堂中分享知識內(nèi)容，增添課堂的活躍氣氛。

2.形象化演示，引入CASTEP模擬軟件。Matetiral studio（MS）由美國Accelrys公司于2000年推出，是分子模擬軟件屆的領(lǐng)導(dǎo)者。CASTEP即為MS軟件的一個功能計算軟件包。通過第一性原理，CASTEP可以模擬計算半導(dǎo)體、陶瓷、金屬和礦石等晶體，研究一個系統(tǒng)的表面化學(xué)、結(jié)構(gòu)特性、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、光學(xué)特性、點缺陷（如空位、間隙或替位摻雜）。將CASTEP引入《半導(dǎo)體物理與器件》課程的教學(xué)過程中，比如，自己搭建金剛石結(jié)構(gòu)的元素半導(dǎo)體硅和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體砷化鎵，計算其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等特性，在課堂上將模擬過程和結(jié)果直接演示，不但更形象，還能使學(xué)生更加深刻的理解半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、費米能級、價帶、導(dǎo)帶、直接帶隙半導(dǎo)體、間接帶隙半導(dǎo)體等抽象的概念。此外，講解非本征半導(dǎo)體特性，公式繁雜枯燥，不易于學(xué)生理解，如果在公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，加上相應(yīng)的CASTEP模擬計算，使學(xué)生更加深刻地理解摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的影響。在半導(dǎo)體中，存在兩種類型的摻雜：間隙式和替位式。只有摻入雜質(zhì)為替位式，這樣才可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。以本征半導(dǎo)體硅為例，引入三族元素硼作為受主雜質(zhì)，隨著受主雜質(zhì)濃度的不斷增加，CASTEP模擬計算其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的變化，分析發(fā)現(xiàn)費米能級逐漸向價帶靠近；引入五族元素磷作為施主雜質(zhì)，隨著施主雜質(zhì)濃度的不斷增加，分析CASTEP模擬計算的能帶結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)費米能級逐漸向?qū)Э拷?。因此，采用CASTEP模擬軟件計算難以理解的半導(dǎo)體抽象概念，加深理解半導(dǎo)體特性，使學(xué)生對半導(dǎo)體知識的掌握更加牢固、更加靈活，活學(xué)活用。

3.注重實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。利用物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院大學(xué)物理實驗室和專業(yè)實驗室的優(yōu)勢，有針對性的安排學(xué)生進行相關(guān)半導(dǎo)體實驗。通過將現(xiàn)有的大學(xué)物理實驗和專業(yè)實驗（如非線性元件伏安特性測量、LED特性實驗、太陽能電池的特性測量等）融入到對應(yīng)的課程章節(jié)教學(xué)中，讓學(xué)生明確實驗所對應(yīng)的半導(dǎo)體理論知識（開啟電壓、開路電壓、短路電流、死區(qū)、整流特性、伏安特性、光伏效應(yīng)、pn結(jié)、單向?qū)щ娦?、線性元件、非線性元件、普通二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管等），進而到實驗中去檢驗半導(dǎo)體相關(guān)知識的掌握情況。通過這些實驗，學(xué)生掌握半導(dǎo)體特性的測量方法和基本測量電路，熟悉繪圖軟件origin和實驗數(shù)據(jù)的處理方法（外延法、線性擬合等），加深對半導(dǎo)體的發(fā)光原理、光伏特性和非對稱整流特性的理解，進一步開拓學(xué)生的思維，更加感性地理解半導(dǎo)體的相關(guān)知識。

4.課程微信公眾號建設(shè)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能終端設(shè)備與大學(xué)生的生活息息相關(guān)。建設(shè)《半導(dǎo)體物理與器件》課程微信公眾號，設(shè)置基礎(chǔ)知識、半導(dǎo)體理論模擬計算、物理實驗、科研就業(yè)四個版塊。采用動畫、視頻、模擬計算、物理實驗等形象演示半導(dǎo)體物理與器件的理論知識，實現(xiàn)教學(xué)資源數(shù)字化，課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合。教學(xué)內(nèi)容不斷豐富，學(xué)生可以機動地利用課余時間學(xué)習(xí)半導(dǎo)體知識，不再局限于課時限制，逐步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體物理與器件》課程的興趣，使學(xué)生更容易理解，提高教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)束語

以提高學(xué)生應(yīng)用素質(zhì)與綜合創(chuàng)新能力為基本目標(biāo)，立足于半導(dǎo)體物理與器件的教學(xué)過程，開展多元化教學(xué)，讓學(xué)生了解研究熱點和學(xué)科發(fā)展方向，全面地掌握半導(dǎo)體物理的基本理論知識和基本技能，提高學(xué)生的應(yīng)用能力，初步培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)。

參考文獻：

[1]高清運.“半導(dǎo)體器件物理”課程教學(xué)研究與探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014，36，（6）：20-21.

[2]肖丙剛，王秀敏，趙吉祥.半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)實踐探索[J].科技信息，2009，（30）：14.

[3][美]Donald A.Neamen，著.半導(dǎo)體物理與器件[M].趙毅強，姚素英，史再峰，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2018.