半導(dǎo)體物理與器件課程教學(xué)模式改革初探

張學(xué)亮

(貴州理工學(xué)院，貴陽 550003)

新能源材料與器件專業(yè)與新能源、新材料產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，目的是研究開發(fā)下一代高性能、綠色、低碳的能源新材料、新技術(shù)與器件(如新型化學(xué)電源、燃料電池、太陽能電池和電解水材料)[1]。本專業(yè)擬培養(yǎng)新能源材料專門人才，要求掌握新能源材料的基本理論、制備過程、測試技術(shù)與分析方法，了解下一代能源材料科學(xué)的發(fā)展方向，具備開發(fā)新能源材料、研究新工藝、提高和改善材料性能的基本能力[2]。

半導(dǎo)體物理與器件作為新能源材料與器件的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對學(xué)生了解半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)有重要意義，可以幫助學(xué)生認識、了解和掌握常見半導(dǎo)體器件的物理特性和相關(guān)應(yīng)用。該課程的教學(xué)效果與學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，有必要對半導(dǎo)體物理與器件課程進行教學(xué)建設(shè)與改革。

1 半導(dǎo)體物理與器件課程的教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 缺少合適教材

對于半導(dǎo)體物理與器件課程來說，國內(nèi)外都有一些經(jīng)典教材，如國內(nèi)劉恩科，羅晉生等主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》，施敏等編著的《半導(dǎo)體器件物理》，國外Donald A.Neamen編著的《Semiconductor physics and devices》等。但現(xiàn)有教材大都不適用于工科學(xué)校，因為教材中繁瑣的理論和公式推導(dǎo)加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，影響了教學(xué)質(zhì)量。同時，教材中內(nèi)容過多，不利于學(xué)時較少的非物理專業(yè)進行教學(xué)安排，而且有些專業(yè)知識對于剛接觸專業(yè)課的學(xué)生來說有一定困難。

1.2 公式推導(dǎo)難度大

半導(dǎo)體物理與器件課程理論深奧、學(xué)科性強、公式推導(dǎo)復(fù)雜，缺乏引導(dǎo)式的教學(xué)方式，達不到理論知識和實際應(yīng)用相銜接的目的，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳[3]。應(yīng)用型本科類高校在半導(dǎo)體物理與器件課程上的學(xué)時分配較少，很難抽出時間對教材中的公式進行全部推導(dǎo)，而學(xué)生自己推導(dǎo)又存在困難。

1.3 課程排布不具有連續(xù)性

半導(dǎo)體物理與器件課程一般安排在第五學(xué)期，要求學(xué)生先修完高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體物理、量子力學(xué)等相關(guān)課程。但由于不同專業(yè)方向?qū)W(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)不同以及課時沖突，上述課程不能完全安排。教師在講授半導(dǎo)體物理與器件課程之前，需花費很多時間來補充晶體結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)基礎(chǔ)、能帶論等內(nèi)容。

1.4 教學(xué)模式過于僵化

多媒體是一種很好的教學(xué)方式，高校也配備了多媒體教學(xué)設(shè)備，但不管是單獨用板書還是單獨用多媒體，或者是板書與多媒體相結(jié)合，學(xué)生都會對教師或板書產(chǎn)生依賴心理，而且會對課程中的公式推導(dǎo)過程選擇性忽視，只記住其中的結(jié)論，教學(xué)效果不理想。

2 教學(xué)改革內(nèi)容與具體方法

2.1 結(jié)合學(xué)校定位和專業(yè)特色選定合適教材

貴州理工學(xué)院是一所以工學(xué)為主體，工學(xué)、理學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的理工類本科院校。學(xué)校的人才培養(yǎng)方案是根據(jù)CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)思想制定的，強調(diào)教學(xué)必須以學(xué)生為中心，充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。

教學(xué)模式為OBE模式(Outcomes-based education)，強調(diào)學(xué)生最后取得的學(xué)習(xí)成果。在OBE模式的指導(dǎo)下，每門課程必須清楚制定出學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程后應(yīng)達到的能力和水平，并通過教學(xué)文件中制定的相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容來完成，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。為達成此目標(biāo)，在選擇教材時應(yīng)偏向理論推導(dǎo)相對簡單、以器件為主和面向應(yīng)用的教材。

2.2 結(jié)合學(xué)生特點編制教學(xué)文件

半導(dǎo)體物理與器件課程的概念多、公式多，如果只是向?qū)W生灌輸抽象的概念，則很難提高學(xué)生的積極性，容易使學(xué)生進入越理解不了越記公式，越記公式越理解不了的惡性循環(huán)。

結(jié)合學(xué)生的實際情況，對教學(xué)文件進行了如下改善：首先，在導(dǎo)論部分就讓學(xué)生清楚了解課程結(jié)構(gòu)，通過觀看精心選擇的多媒體文件來讓學(xué)生對本課程所學(xué)有一個認識。其次，對課程知識點進行串聯(lián)，讓學(xué)生了解每一章所對應(yīng)的內(nèi)容，舉一些實際例子，讓他們熟悉教師的講授線索和講課風(fēng)格。最后，要用通俗易懂的語言讓學(xué)生對相關(guān)概念進行聯(lián)想。例如，在講晶體結(jié)構(gòu)時，可以座位為例來講授點陣、晶面、晶向等概念。

在講授電子遷移時，可以讓學(xué)生想象水的流動。在講能帶結(jié)構(gòu)時，可以將費米能級比作水平面，異質(zhì)結(jié)之間電子的遷移可以看做是水流的運動。

2.3 采用多種專業(yè)軟件使基本公式可視化

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，一些計算機輔助及模擬軟件逐漸被應(yīng)用于科學(xué)研究中，這些軟件具有清晰的界面，可將一些物理現(xiàn)象可視化，非常適合引入半導(dǎo)體物理與器件課程教學(xué)中，比如MATLAB、Aether、Mathematica等軟件。

MATLAB是Mathworks公司出品的一款功能強大的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，可以用MATLAB軟件模擬一些物理現(xiàn)象，并分析器件的特性，使結(jié)果以圖形化輸出[4]。

使用MATLAB軟件輔助教學(xué)可以幫助學(xué)生掌握公式在實際分析中的運用方式，形成圖像記憶，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。例如，費米分布函數(shù)f(E)是一個重要概念，它描述了在熱平衡條件下能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率。對于非物理專業(yè)的學(xué)生來說，剛開始接觸這個概念理解起來非常困難，而應(yīng)用MATLAB就可以讓學(xué)生清晰直觀了解費米分布函數(shù)受溫度影響的規(guī)律[5]。

Aether軟件是我國自主研發(fā)的集成電路設(shè)計軟件，可以對器件和電流進行仿真模擬。將Aether軟件引入半導(dǎo)體物理與器件課程教學(xué)中可以使學(xué)生理解半導(dǎo)體器件的工作原理、電路特性以及參數(shù)對性能的影響，使教學(xué)內(nèi)容更直觀。例如，在降解MOSFET結(jié)構(gòu)時，利用Aether軟件可以對電路進行仿真，使學(xué)生更深刻認識到MOSFET結(jié)構(gòu)的特點以及各個參數(shù)對輸出電路的影響[6]。

Mathematica軟件是一款科學(xué)計算軟件，較結(jié)合了數(shù)值和符號計算引擎、圖形系統(tǒng)、編程語言、文本系統(tǒng)，可以利用其開發(fā)半導(dǎo)體物理與器件課程的實驗仿真平臺。這樣既可以減少對實驗儀器設(shè)備的投入，又可以讓學(xué)生通過實驗來驗證物理模型和理論公式，加深對半導(dǎo)體物理概念和器件原理的理解[7]。