半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐*

張 強(qiáng) 郝潤(rùn)芳 菅傲群 桑勝波

(太原理工大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院微納系統(tǒng)研究中心 山西 太原 030024)

1 引言

半導(dǎo)體物理學(xué)是研究半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子過(guò)程的學(xué)科.通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以對(duì)半導(dǎo)體物理的基本內(nèi)容有所掌握，并且可以了解在外界環(huán)境以及內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移的影響下半導(dǎo)體性質(zhì)的變化情況[1].幾十年來(lái)，該學(xué)科在信息、軍事、自動(dòng)化、應(yīng)用物理、生物醫(yī)學(xué)、人工智能、能源環(huán)境等學(xué)科方面都具有極其重要的研究?jī)r(jià)值，是未來(lái)半導(dǎo)體工藝面向集成化和微型化的基礎(chǔ)研究[2].半導(dǎo)體物理不僅在理論研究上取得了舉世矚目的成就, 而且還極大地推進(jìn)了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)如IC(集成電路)、微納光學(xué)、柔性電子、MEMS等相關(guān)產(chǎn)業(yè)學(xué)科的進(jìn)步，是目前研究新型材料和器件的理論支撐.通過(guò)該學(xué)科的研究，可以加強(qiáng)學(xué)生的理論創(chuàng)新和應(yīng)用實(shí)踐能力，為未來(lái)從事半導(dǎo)體行業(yè)的科研人才提供理論支持和實(shí)踐保障.站在科技高速發(fā)展的歷史新高度上, 理論掌握并且實(shí)際應(yīng)用半導(dǎo)體物理相關(guān)知識(shí)對(duì)于相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步具有顯著意義.

2 半導(dǎo)體物理學(xué)面臨問(wèn)題

半導(dǎo)體物理學(xué)具有深?yuàn)W的理論內(nèi)容和極具潛力的科研價(jià)值，是微型化器件設(shè)計(jì)制備的理論基礎(chǔ)，但是在教學(xué)過(guò)程中，也存在著以下問(wèn)題：

其一，課程內(nèi)容抽象，教學(xué)方式單一，難以激起學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情.傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理學(xué)課程主要內(nèi)容介紹了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布、半導(dǎo)體導(dǎo)電性、非平衡載流子、p-n結(jié)、金屬和半導(dǎo)體接觸、半導(dǎo)體表面和MIS結(jié)構(gòu)以及半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)等.在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理學(xué)之前，需要對(duì)電磁場(chǎng)、量子物理、凝聚態(tài)物理等學(xué)科有所涉獵，并且教學(xué)過(guò)程中涉及的公式推導(dǎo)較多，因此需要學(xué)生具備較為扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底去完成數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，再加上物理含義較為抽象,難以形象化理解，因此龐大的知識(shí)體系給學(xué)生造成了巨大的困擾.同時(shí)教師主要采取單一的授課傳統(tǒng)，學(xué)生在聽(tīng)課過(guò)程中，難以對(duì)課程內(nèi)容融會(huì)貫通，迫使學(xué)生放棄學(xué)習(xí)的熱情.

其二,學(xué)生側(cè)重于半導(dǎo)體物理理論知識(shí)的學(xué)習(xí),缺乏動(dòng)手實(shí)踐能力,不能將理論與實(shí)踐相結(jié)合.對(duì)于半導(dǎo)體物理學(xué)這門(mén)學(xué)科而言,學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作或日常實(shí)踐的課時(shí)較少,難以提升學(xué)生的動(dòng)手能力[3].并且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更多的是對(duì)數(shù)據(jù)和結(jié)果的機(jī)械記錄,缺乏對(duì)內(nèi)部理論的深入挖掘,沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的實(shí)踐效果.而半導(dǎo)體物理其中最主要的內(nèi)容在于半導(dǎo)體工藝的實(shí)踐應(yīng)用,特別是目前國(guó)家大力發(fā)展的芯片工藝上,半導(dǎo)體物理為其提供了強(qiáng)有力的理論支撐.

面對(duì)這些情況，進(jìn)行半導(dǎo)體物理學(xué)課程的教學(xué)體系改革已經(jīng)刻不容緩，通過(guò)改革使其降低學(xué)習(xí)難度，完善教學(xué)體系，增加教學(xué)的趣味性和吸引力，推動(dòng)教學(xué)從理論向?qū)嵺`的實(shí)質(zhì)性跨越是現(xiàn)在亟需解決的問(wèn)題[4].

3 教學(xué)改革實(shí)施方案

3.1 積極引導(dǎo)學(xué)生 化“被動(dòng)”為“主動(dòng)”

由于傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式，教師講課，學(xué)生被動(dòng)接受，再加上半導(dǎo)體物理學(xué)的內(nèi)容較為抽象復(fù)雜，長(zhǎng)此以往會(huì)嚴(yán)重降低教學(xué)質(zhì)量，因此我們有必要結(jié)合當(dāng)前的科技熱點(diǎn)和科技發(fā)展的大趨勢(shì)，積極引導(dǎo)學(xué)生的科研思路，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣[5].根據(jù)學(xué)科的發(fā)展方向，不斷更新課程內(nèi)容.在課下充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，如布置課題讓學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體芯片目前發(fā)展情況進(jìn)行調(diào)研，詳細(xì)總結(jié)目前國(guó)家在相關(guān)產(chǎn)業(yè)所取得的進(jìn)步以及遇到的瓶頸，結(jié)合目前所學(xué)理論知識(shí)闡述難以突破的技術(shù)難關(guān)，并將這些內(nèi)容在課堂中以幻燈片等多媒體方式展現(xiàn).通過(guò)實(shí)時(shí)熱點(diǎn)科技的引入，讓學(xué)生與時(shí)代緊密接軌，增加使命感和創(chuàng)造活力，促使學(xué)生更主動(dòng)地參與到課程當(dāng)中.

3.2 探索在線(xiàn)學(xué)習(xí)新模式

采用 MOOC、學(xué)堂在線(xiàn)等多種線(xiàn)上教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上教學(xué)與線(xiàn)下學(xué)習(xí)相互結(jié)合的教學(xué)模式改革,對(duì)于轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式和探索創(chuàng)新性的教學(xué)方式具有十分關(guān)鍵的作用.首先,教師在課堂上布置作業(yè),學(xué)生通過(guò)線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)自主學(xué)習(xí),初步了解理論內(nèi)容并嘗試解決問(wèn)題.隨后,學(xué)生將學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的問(wèn)題在線(xiàn)上進(jìn)行留言,供教師評(píng)閱.最后在課堂上，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)中所產(chǎn)生的問(wèn)題和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行闡述和提問(wèn).教師聽(tīng)取學(xué)生發(fā)言后,與他們相互討論交流,從中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的盲點(diǎn),從而進(jìn)行有針對(duì)性、補(bǔ)充性、延伸性的教學(xué).另外,設(shè)置學(xué)生之間的答疑環(huán)節(jié)，每一位學(xué)生可以成立討論小組，在相互點(diǎn)評(píng)和相互交流過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)一步的理解掌握,從而提升自主學(xué)習(xí)、分析和解決問(wèn)題的能力.

3.3 開(kāi)展形象化教學(xué)工作

形象化教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用形象生動(dòng)的手段，把抽象的理論內(nèi)容形象化成立體生動(dòng)的模型或視圖，讓學(xué)生對(duì)理論有更直觀(guān)的理解和把握，從而推動(dòng)教學(xué)的高質(zhì)量講授.因此，通過(guò)形象化教學(xué)，可以加深理論化推導(dǎo)過(guò)程的印象，使學(xué)生更加專(zhuān)注所學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和活力[6].基于半導(dǎo)體物理而言，一方面，可以將課程中涉及到的載流子的變化情況制作成動(dòng)圖或視頻，供學(xué)生觀(guān)看；另一方面，讓每位學(xué)生使用仿真軟件模擬半導(dǎo)體的工藝仿真、器件仿真等技術(shù)，從中直觀(guān)體會(huì)半導(dǎo)體器件的性質(zhì).

3.4 知識(shí)點(diǎn)結(jié)合科學(xué)前沿

為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)枯燥知識(shí)點(diǎn)的理解，在備課工作中跟蹤知識(shí)點(diǎn)相關(guān)最新前沿科學(xué)研究工作，在教學(xué)過(guò)程中，穿插講解具有代表性的學(xué)術(shù)文獻(xiàn).一方面，通過(guò)文獻(xiàn)中實(shí)際科研工作實(shí)例加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解；另一方面，通過(guò)理解前沿?zé)狳c(diǎn)科研工作，引發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)和實(shí)際問(wèn)題的求知欲，有助于發(fā)散學(xué)生思維，鍛煉學(xué)生思考和解決問(wèn)題的能力；另外，向有興趣的學(xué)生教授文獻(xiàn)檢索的方法，對(duì)課堂問(wèn)題布置發(fā)散性問(wèn)題，讓學(xué)生們以小組為單位通過(guò)查找資料整理理論和實(shí)際解決問(wèn)題的方法.通過(guò)該教學(xué)方法的探索，以課堂知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，有效地將理論與實(shí)際相結(jié)合，加深學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和理解，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生廣開(kāi)眼界，探尋學(xué)科中有待解決的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者解決問(wèn)題的過(guò)程，凝練適合自己的解決問(wèn)題的新方法.

3.5 鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目

半導(dǎo)體物理學(xué)是一門(mén)理論性課程，但學(xué)生由于缺乏相關(guān)的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)和研究經(jīng)歷，很難真正地將理論用于實(shí)踐中去.實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的最好方式，在現(xiàn)有人員和設(shè)備的基礎(chǔ)條件下，應(yīng)當(dāng)讓更多學(xué)生積極主動(dòng)地參與到半導(dǎo)體物理實(shí)踐應(yīng)用的項(xiàng)目當(dāng)中，感受半導(dǎo)體物理在項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，如半導(dǎo)體器件加工與測(cè)量.從項(xiàng)目所定制的目標(biāo)，到初步探索與實(shí)驗(yàn)，最后到項(xiàng)目的結(jié)題，完整的流程既可以提升學(xué)生的科研素養(yǎng)，又能把所學(xué)的專(zhuān)業(yè)課程應(yīng)用起來(lái)，加深對(duì)課程內(nèi)容的理解.

3.6 優(yōu)化創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

目前實(shí)驗(yàn)主要涉及3個(gè)內(nèi)容：四探針?lè)y(cè)量電阻率、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)以及MOS 結(jié)構(gòu)的高頻C-V 特性測(cè)量.通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉常用的半導(dǎo)體物理性能測(cè)試儀器的原理、結(jié)構(gòu)和操作方法等.其中，常見(jiàn)的四探針?lè)y(cè)量電阻率有測(cè)量圓晶片的電阻率，基于此，應(yīng)當(dāng)拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加測(cè)量方塊電阻、圓柱電阻率等實(shí)驗(yàn)方案，夯實(shí)學(xué)生對(duì)四探針?lè)y(cè)量理論的理解.對(duì)于MOS 結(jié)構(gòu)的高頻C-V 特性測(cè)量而言，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀(guān)察不同電壓條件下電容改變的情況.除此以外，也要適當(dāng)拓展，改變實(shí)驗(yàn)條件，如在電壓值一定的情況下探究不同頻率對(duì)電容的影響.通過(guò)理論公式的推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的擬合，可以激發(fā)學(xué)生的熱情，使學(xué)生更加專(zhuān)注地投入到學(xué)習(xí)中.基于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案，還應(yīng)該繼續(xù)拓展新的實(shí)驗(yàn)，引進(jìn)新的儀器和設(shè)備，使用阻抗分析儀測(cè)量二極管的伏安特性，從中觀(guān)察二極管的開(kāi)關(guān)特性，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量半導(dǎo)體薄膜的吸收/透射光譜等[7].通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化和改進(jìn)，更能促進(jìn)學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體物理理論內(nèi)容的理解，為未來(lái)的科研探索提供好鋪墊，并且較好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和科學(xué)素養(yǎng).

4 總結(jié)

快速發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)提升了半導(dǎo)體制備工藝，這就啟示我們不僅在理論課程的教學(xué)要多覆蓋，能跟上時(shí)代步伐，也要積極改革教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的潛能.以熱點(diǎn)問(wèn)題和學(xué)科發(fā)展方向引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考相關(guān)問(wèn)題，探索線(xiàn)上教學(xué)以及形象化教學(xué)模式，通過(guò)介紹行業(yè)情況和機(jī)遇激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本門(mén)課程的積極性，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與導(dǎo)師的相關(guān)科研項(xiàng)目，創(chuàng)新優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)本專(zhuān)業(yè)課程體系的把控.通過(guò)這些教學(xué)改革措施，為培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才提供良好的基礎(chǔ).