關于半導體器件物理課程教學方法改革的幾點考慮

摘要：半導體器件物理是電子科學與技術專業(yè)高年級本科生的專業(yè)必修課程，它前承量子力學、固體物理、半導體物理、微電子工藝等課程，后啟集成電路設計、集成電路CAD、集成電路測試分析等課程。針對該課程基礎理論要求較高、綜合性強、內容抽象等特點，提出了幾點教學方法改革的思考。首先，強調半導體物理以及幾個方程的基礎地位，突出PN結、BJT和FET為課程重點;其次，構建啟發(fā)式、討論式的課堂教學模式，引導學生主動思考，鍛煉設計思維;再次，布置仿真分析任務，借助TCAD工具加強對學生的實踐訓練;最后，結合學校開展的“本科生導師制”，鼓勵學生在實驗室開展器件的應用以加深理解。通過以上幾點教學改革，提高學生的學習效率和課程教學質量。

關鍵詞：半導體器件物理;教學方法改革;引導;實踐訓練;教學質量

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0216-03

電子器件是電子信息系統(tǒng)的基本單元。1947年第一只半導體晶體管的誕生標志著電子信息技術進入晶體管時代。此后，半導體器件以及以其為基礎的集成電路技術得到了飛速發(fā)展。當前，由半導體器件構成的電子電路幾乎都已集成化，半導體分離器件只是在某些特殊領域。集成電路技術的快速發(fā)展是以半導體器件和微電子工藝為基礎的，要求半導體器件不斷更新，以滿足小尺寸、高性能、低功耗的要求。

半導體器件物理是電子科學與技術本科專業(yè)的必修課程之一，是一門理論與實踐并重、綜合性很強的專業(yè)核心課[1]。該課程論述基于電子的微觀運動規(guī)律的各種電子器件的工作原理，主要講授各種半導體器件的基本結構、工作原理、電學特性和影響器件參數(shù)的因素[2]，其核心內容是硅微電子器件的工作原理和設計方法。在課程學習之前，學生需學習量子力學、固體物理、半導體物理、微電子工藝等課程，對固體能帶理論以及半導體材料（Si、Ge、GaAs等）的物理性質有一定的認識。該課程的目標是讓學生了解和掌握器件結構參數(shù)、工藝參數(shù)、材料參數(shù)與器件電學參數(shù)之間的關系，為學生后續(xù)學習半導體器件設計與驗證、集成電路設計、集成電路CAD、集成電路版圖設計、集成電路測試分析等課程打下基礎。在后摩爾時代原有技術持續(xù)改進和提升、新技術不斷涌現(xiàn)的大背景下，電子科學技術本科專業(yè)半導體器件物理課程的教學需要改革教學方法，跟上時代步伐，提高教學質量。

一、合理安排教學內容，強化基礎，突出重點

半導體器件物理是電子科學與技術專業(yè)高年級本科生的專業(yè)必修課之一。在學習該門課程之前學生需具備量子力學、固體物理、半導體物理、微電子工藝等專業(yè)課程基礎。這門課是后續(xù)半導體器件設計與驗證、集成電路設計、集成電路CAD、集成電路版圖設計、集成電路測試分析等課程的基礎課程之一。

（一）回顧前序課程的相關內容，引入相關方程和分析方法，強化基礎

教學內容包括固體材料的晶體結構和能帶結構，固體和半導體中載流子的統(tǒng)計分布，載流子的輸運過程，低維輸運，固體和半導體的熱、光、電行為。強調課程的基本理論是建立在量子力學基礎之上的固體能帶理論;基本方法是求解連續(xù)性方程、電流密度方程和泊松方程，得到半導體內的電場、電勢分布和載流子濃度分布[3];基本目標是掌握半導體器件的外特性參數(shù)與半導體的材料參數(shù)、幾何結構參數(shù)和工藝參數(shù)之間的關系。共計8個學時。

（二）深入分析和講解PN結、雙極型晶體管和場效應晶體管，突出課程重點

運用第一部分介紹的基本方法分析PN結、BJT和FET三類基礎器件，每一類器件的教學時間為16個學時。PN結部分的教學內容包括：PN結特性的定性描述和定量描述、直流特性、寄生效應、交流小信號特性及其等效電路、開關過程及其物理實質、擊穿模型及其定量描述。雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）部分的教學內容包括：雙極型晶體管的基本結構及制造工藝、內部載流子輸運過程、電流放大系數(shù)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)兩種情況）、直流特性（電流-電壓關系、擊穿特性、高階效應及安全工作區(qū)）、頻率特性和開關特性。場效應晶體管部分的教學內容包括：結型場效應晶體管（Junction Field Effect Transistor，JFET）的工作原理、電流-電壓方程、直流參數(shù)和頻率參數(shù)、短溝道效應等，半導體表面的特性及理想MOS（Metal Oxide Semiconductor）結構，絕緣柵場效應晶體管（MOS Field Effect Transistor，MOSFET）的基本結構和工作原理、制造工藝、閾值電壓及閾值電壓的調整、直流電流電壓關系、非理想效應、擊穿電壓、熱電子效應和輻射效應等。

（三）輻射特殊領域，拓展教學知識

在保障課程的基礎部分和重點部分的教學課時前提下，根據(jù)實際剩余的教學課時量，合理拓展金屬-半導體接觸和異質結、光電子器件和半導體功率器件等特殊領域，拓寬學生的知識面。

（四）加強課堂討論和課后訓練，鞏固教學內容

每次課后留2～3道思考題，督促學生在完成作業(yè)之余對這些問題進行思考和討論，完成每章教學內容后組織學生對相關的思考題進行課堂討論。針對每部分教學內容布置相關仿真分析任務，借助TCAD（Technology Computer Aided Design，半導體工藝模擬和器件仿真）工具加強對學生的課后實踐訓練。

二、改革教學方法，激發(fā)學生積極性，鍛煉學生設計思維

（一）改革教學方法，構建啟發(fā)式、討論式的課堂教學模式

1.改革教學理念。首先，教學的首要目的是讓學生真正學懂課程內容，并會應用相關內容，而不僅僅是為了期末考試取得高分數(shù)。其次，半導體技術的發(fā)展極其迅速，新材料、新工藝、新器件以及新的集成方法層出不窮，教材應該是教學參考書，應該立足于教學參考書添加學術界和產業(yè)界的最新動態(tài)，豐富教學內容。再次，“教學”是一個互動過程，在高等教育中教學的主角應該是學生，教師應該引導學生進行學習，更多地教授學生學習和分析相關知識點的思路、思考和解決問題的方法，避免“填鴨式”教學。

2.改革課堂教學模式。課堂教學內容主要通過多媒體課件進行展示，輔以必要的板書。這門課程理論性較強，內容較抽象，傳統(tǒng)的教學模式容易讓學生產生厭學情緒。在每個知識點輔以應用實例的講解，啟發(fā)學生參與討論并思考相關理論問題，可幫助學生盡快弄明白每個知識點的用處，做到目標明確。在教學過程中穿插相關典故和行業(yè)資訊，可幫助學生緩解疲勞，增加學習興趣;穿插隨堂練習，可幫助學生當堂鞏固相關教學內容。

3.改革教學手段。借助現(xiàn)代發(fā)達的信息技術，建立網絡交流平臺，加強和學生的課外交流互動。借助TCAD工具（如Silvaco TCAD）加強對學生的實踐訓練，幫助學生建立起對注入雜質濃度分布、電場和電勢分布等原本抽象的圖像的直觀映像。鼓勵學生積極參與本科生導師的相關科研項目，開展半導體器件設計及應用方面的研究工作，加深對理論知識的理解。

（二）引導學生主動思考，激發(fā)學生學習積極性

以熱點問題和最新行業(yè)資訊引導學生主動思考半導體器件及半導體產業(yè)的國內外發(fā)展狀況，以課后思考題引導學生復習半導體器件每個知識點的內容、思考相關熱點和難點，拓寬知識面。通過介紹半導體產業(yè)以及電子信息產業(yè)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和機遇，激發(fā)學生學習本門課程的積極性。

（三）除了重點傳授半導體器件的分析方法之外，注重鍛煉學生的設計思維

分析思維和設計思維是兩條順序相反的路徑，設計比分析要難，會設計就肯定會分析。雖然本門課程的目的是讓學生掌握各種半導體器件的分析方法，但在教學過程中傳授學生一些基礎的設計方法，以實例訓練學生的設計思維，有利于提高學生分析半導體器件的能力，同時為學生學習后續(xù)相關設計課程打下基礎。

三、借助TCAD工具加強實踐訓練

半導體器件的結構和特性大多是通過二維剖面圖和特性曲線進行展示，內容較為抽象。此外，半導體器件各種參數(shù)理論計算的結果往往和實際結果存在偏差，這是因為手工計算不可能考慮所有的高階效應，也不可能求解復雜的超越方程。在實際制作好的半導體器件中要觀察到內部的雜質濃度分布、電場和電勢分布等圖像幾乎是不可能的。TCAD工具基于有限元算法對半導體器件的制作工藝以及器件特性進行模擬仿真，能夠直觀展示各種分布圖像和特性曲線，還能精確求解各種方程，使仿真結果與實驗結果偏差極小。借助TCAD工具開展對半導體材料的特性分析以及半導體器件的工藝和特性仿真，加強對學生的實踐訓練，能夠使抽象的理論知識形象化，有利于學生對知識點的理解和消化[4]，充分鍛煉學生對半導體器件的分析和設計能力。

四、鼓勵學生開展應用，在應用中加深對器件的理解

結合學校開展的“本科生導師制”，鼓勵學生積極參與導師的相關科研項目，在實驗室開展半導體器件設計及應用等方面的研究，以加深理解。我?！氨究粕鷮熤啤币?guī)定每一名高年級本科生都有選定的指導教師，學生應該主動參與到導師的相關科研項目中去，這樣既能培養(yǎng)和鍛煉自己的科研能力、團隊協(xié)作能力、分析和解決問題的能力，又能把所學的專業(yè)課程應用起來，加深對多課程內容的理解，還能加強對本專業(yè)課程體系的把控，幫助自己制定職業(yè)規(guī)劃。

五、總結

半導體器件物理課程的目的是論述基于電子的微觀運動規(guī)律為基礎的各種電子器件的工作原理，主要講授各種半導體器件的基本結構、工作原理、電學特性和影響器件參數(shù)的因素，其核心內容是硅微電子器件的工作原理和設計方法。該課程是電子科學與技術本科專業(yè)一門非常重要的必修課程，內容抽象，理論性和綜合性強，具有老師難教、學生難學的特點。另外，隨著半導體技術和集成電路技術的快速發(fā)展，半導體器件也不斷涌現(xiàn)出新結構和新工藝，要求半導體器件物理課程的教學要覆蓋面廣，能跟上時代步伐。為此，提出了幾點關于該課程的教學方法改革的思考。首先是在強化基礎和突出重點的前提下拓展教學內容，加強課堂討論和課后訓練，鞏固教學內容。其次，改革教學方法，構建啟發(fā)式、討論式的課堂教學模式。以熱點問題、最新行業(yè)資訊和課后思考題引導學生主動思考相關問題，通過介紹行業(yè)情況和機遇激發(fā)學生學習本門課程的積極性。最后，借助TCAD工具加強對學生的實踐訓練，鼓勵學生主動參與導師的相關科研項目，在應用中加強對半導體器件的理解，同時鍛煉自己的科研能力、團隊協(xié)作能力、分析和解決問題的能力，加強對本專業(yè)課程體系的把控。

參考文獻：

[1]張麗娜，張偉，陸曉東，吳志穎.《半導體器件物理》課程教學改革與實踐[J].人力資源管理，2015，（7）：200.

[2]高清運.“半導體器件物理”課程教學研究與探索[J].電氣電子教學學報，2014，36（6）：20-21.

[3]傅興華，丁召，陳軍寧，楊健.半導體器件原理簡明教程[M].北京：科學出版社，2010.

[4]向兵，程秀英.基于Matlab GUI的《半導體器件物理》教學仿真平臺開發(fā)[J].實驗科學與技術，2014，12（3）：47-48+206.

Some Considerations on the Teaching Method Reform of Semiconductor Device Physics

MA Kui

（College of Big Data and Information Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： Semiconductor Device Physics is a compulsory course for senior undergraduates majoring in electronic science and technology. It follows such courses as Quantum Mechanics， Solid State Physics， Semiconductor Physics， Microelectronics Technology， and provides foundation for the courses such as Circuit Design， Integrated Circuit CAD， and Integrated Circuit Testing Points. In view of the characteristics of this course， such as high requirement for basic theory， strong comprehensiveness and abstract content， this paper puts forward some thoughts on the reform of teaching methods. Firstly， it emphasizes the basic position of semiconductor physics and several equations， highlighting PN junction， BJT and FET as the focus of the course; secondly， it constructs a heuristic and discussion-based classroom teaching mode to guide students to think actively and exercise their design thinking; thirdly， it arranges simulation and analysis tasks， and strengthens the practical training of students with the help of TCAD tools; finally， in combination with the "undergraduate tutorial system" carried out by the university， students are encouraged to develop device applications in the laboratory in order to deepen their understanding. Through the above teaching reforms， we can improve students' learning efficiency and teaching quality.

Key words： Semiconductor Device Physics; teaching method reform; guidance; practice training; teaching quality

收稿日期：2019-08-31

基金項目：2019年半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心開放基金“基于寬禁帶半導體材料Ga2O3的功率器件研究”（編號：ERCME-KFJJ2019-（01））

作者簡介：馬奎（1985-），男（漢族），貴州貴陽人，博士，副教授，研究方向：集成電路設計、半導體功率器件及功率集成技術。