大類培養(yǎng)模式下“半導(dǎo)體物理與器件”的教學(xué)改革

汪 瑛， 王少熙， 周德云

(西北工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和集成電路的迅猛發(fā)展，微電子技術(shù)已經(jīng)成為國民經(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、保障國家安全等方面發(fā)揮著日益重要的作用。當(dāng)前，每年超過十萬的高素質(zhì)人才缺口是制約我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大障礙。同時隨著芯片技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、整機技術(shù)和軟件技術(shù)的融合，微電子產(chǎn)業(yè)對創(chuàng)造型、復(fù)合型精英人才的需求越來越高。因此高等院校微電子專業(yè)的人才的培養(yǎng)模式逐漸由“一專到底”的傳統(tǒng)模式發(fā)展為“大類招生”的模式，開啟了“通識教育”改革。

“半導(dǎo)體物理與器件”是微電子專業(yè)領(lǐng)域最重要的通識課程。微電子專業(yè)特點在于“微”，從微觀空間量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理性質(zhì)出發(fā)，在量子空間的不確定性理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建固體物理理論體系、微觀載流子分布和運動規(guī)律，從而進入半導(dǎo)體器件世界，再逐步上升到芯片級的設(shè)計制造測試等各個方面?！鞍雽?dǎo)體物理與器件”系統(tǒng)講解了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識和半導(dǎo)體器件的工作原理、工作特性[1][2]。這門課的教學(xué)成效直接決定了學(xué)生對微電子專業(yè)后續(xù)教學(xué)內(nèi)容理解的深度和廣度，以及對整個專業(yè)課程系統(tǒng)的掌握程度。

然而，微電子學(xué)科并非一級學(xué)科，在大類培養(yǎng)制度下存在著專業(yè)分流不合理的問題，導(dǎo)致“半導(dǎo)體物理與器件”的學(xué)時短，基礎(chǔ)理論教學(xué)不充分，容易培養(yǎng)出只懂表面的萬金油式人才。長期以來，這門課程還存在教學(xué)手段單一，教學(xué)內(nèi)容滯后等問題，無法滿足大類培養(yǎng)“提高能力,因材施教,培養(yǎng)特色”的方針[3]。因此，在大類培養(yǎng)模式下開展“半導(dǎo)體物理與器件”課程的教學(xué)改革，對于微電子人才的培養(yǎng)有著十分重要的意義。

1 大類培養(yǎng)模式下“半導(dǎo)體物理與器件”課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題

“半導(dǎo)體物理與器件”是微電子專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課,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，具有較強的理論性、實踐性、前沿性和科研性。其教學(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)。大類培養(yǎng)模式下，“半導(dǎo)體物理與器件”課程存在如下問題：

1.1 學(xué)時不足，基礎(chǔ)理論教學(xué)缺乏

一方面，在大類培養(yǎng)模式下，學(xué)生進校前1-2年時間學(xué)習(xí)公共基礎(chǔ)課和學(xué)科基礎(chǔ)課，因此多數(shù)學(xué)校將“半導(dǎo)體物理”和“半導(dǎo)體器件”合并成一門課-“半導(dǎo)體物理與器件”，以此壓縮學(xué)時。以我校為例，原先兩門課的總學(xué)時為72學(xué)時(“半導(dǎo)體物理”32學(xué)時；“半導(dǎo)體器件”40學(xué)時)，大類培養(yǎng)模式下壓縮為64學(xué)時。另一方面微電子學(xué)科的專業(yè)課繁多，多數(shù)高校并未將本科生按照材料、器件、集成電路方向進行再分類，導(dǎo)致微電子學(xué)科基礎(chǔ)課程如“量子力學(xué)”、“固體物理”等進一步壓縮或刪減。

而“半導(dǎo)體物理與器件”涵蓋了數(shù)理方程、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，涉及的知識面廣而深，內(nèi)容多，在較少的課時中很難將內(nèi)容全面展開講授。這容易導(dǎo)致教師在講解理論知識時填鴨式強制鋪述，甚至部分內(nèi)容和公式直接給出，缺乏引導(dǎo)性和趣味性。學(xué)生學(xué)習(xí)時感到頭緒繁多，難以理解，產(chǎn)生畏學(xué)和厭學(xué)情緒，不利專業(yè)知識融會貫通，也不利于拔高知識深度和提高創(chuàng)新能力。著名的微電子領(lǐng)域的專家，中科院院士郝躍教授也強調(diào)，“微電子人才培養(yǎng)的要素之一是加強基礎(chǔ)性課程的體系建設(shè)。尤其保證微電子、物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)性、主干性課程學(xué)時充足，內(nèi)容合理，能夠系統(tǒng)化地向?qū)W生講授”。

1.2 缺乏實踐教學(xué)內(nèi)容

微電子是一門與科學(xué)實驗、工程實驗緊密結(jié)合，實踐性極強的學(xué)科，必須強化實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和理論聯(lián)系實際的能力。然而在實際教學(xué)過程中，由于實驗條件所限，本科生很難有機會進行相關(guān)實驗操作，日常實踐機會不足，學(xué)生難以提高認知能力和動手能力，實現(xiàn)從感性到理性的提升。

1.3 教學(xué)內(nèi)容陳舊，滯后時代的發(fā)展

當(dāng)今，全球微電子領(lǐng)域發(fā)展飛速，知識更新速度快，不斷有新技術(shù)新理論出現(xiàn)，各個學(xué)科之間的融合交叉越來越重要，而目前來講，“半導(dǎo)體物理與器件”課程往往只是機械地把“半導(dǎo)體物理”與“半導(dǎo)體器件”課程合并起來，內(nèi)容陳舊，滯后時代的發(fā)展，難以做到新舊知識的融合，理論與實際的銜接。因此迫切需要對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式加以改革。

2 “半導(dǎo)體物理與器件”的教學(xué)改革具體措施

綜合上述，根據(jù)大類培養(yǎng)“加強基礎(chǔ),提高能力,因材施教,培養(yǎng)特色”的指導(dǎo)方針，緊跟科技的發(fā)展動態(tài)，結(jié)合課程特點，可采取以下措施對課程進行改革：

2.1 加強基礎(chǔ)理論教學(xué)

“量子力學(xué)”、“固體物理”、“熱力學(xué)”等課程基礎(chǔ)的理論知識奠定了學(xué)生對“半導(dǎo)體物理與器件”這門課程的理解深度。例如，“量子力學(xué)”是“固體物理”與“半導(dǎo)體物理”的先導(dǎo)課程和理論基礎(chǔ)，隨著微電子器件高集成度發(fā)展，器件尺寸到納米級，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點來描述粒子的行為[4]；“固體物理”課程使學(xué)生掌握晶體的結(jié)構(gòu)及缺陷、晶格振動、電子能帶理論等知識[5]；“熱力學(xué)”與“統(tǒng)計物理學(xué)”對化學(xué)勢的講解使學(xué)生可以更好地理解貫穿半導(dǎo)體物理始終的重要物理量費米能級[6]。大類培養(yǎng)模式中，學(xué)時的限制大大提高了開設(shè)“量子力學(xué)”、“固體物理”等先修課程的難度。

一方面，要求教師必須根據(jù)學(xué)生的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，合理安排好教學(xué)內(nèi)容，抓住重點和難點，對原有的教材進行合理的補充更新，穿插在各個章節(jié)，補充量子力學(xué)，固體物理等知識，讓學(xué)生更好的理解半導(dǎo)體物理知識，但由于課時的要求這種補充是十分有限的。

另一方面由于學(xué)時的限制，可以根據(jù)微電子專業(yè)的特點精選出“量子力學(xué)”、“固體物理”、“熱力學(xué)”與“統(tǒng)計物理學(xué)”等物理基礎(chǔ)課程的重要內(nèi)容，將這幾門先修課合并壓縮成一門課程，可稱為“微電子理論物理導(dǎo)論”，作為專業(yè)基礎(chǔ)課。目的是在較短的課時中快速地為后續(xù)的“半導(dǎo)體物理與器件”、“納米電子器件”、“量子器件”等專業(yè)核心課程奠定必要的理論基礎(chǔ)。

2.2 加強實驗，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力

“半導(dǎo)體物理與器件”課程是學(xué)生接觸微電子領(lǐng)域?qū)嶒灥拈_始。在這門課程中，應(yīng)該理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，發(fā)揮研究性學(xué)習(xí)的作用。在教學(xué)改革中應(yīng)加強實驗課時，根據(jù)學(xué)校的實驗條件，選出代表性的實驗讓學(xué)生實踐。比如，探針測試半導(dǎo)體電阻率、高頻光電導(dǎo)法測少子壽命、半導(dǎo)體器件直流參數(shù)的測定、肖特基二極管I-V特性測試、MOS器件C-V特性測試等。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠獨立地完成實驗并撰寫實驗報告，運用課堂理論分析實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)問題，延伸課外知識的寬度，逐步對科研產(chǎn)生興趣。

2.3 利用TCAD軟件，將理論教學(xué)具象化

將TCAD軟件(如Silvaco,Sentaurus等)引入到課堂，可將枯燥的理論講解生動化，達到事半功倍的效果。例如，Silvaco是全世界流行的半導(dǎo)體仿真軟件，該軟件已通過教育機構(gòu)認證，可提供全套EDA 和TCAD 軟件用于研究和教學(xué)課程?？梢赃M行半導(dǎo)體工藝和器件仿真，Spice參數(shù)提取，電路仿真、全定制IC設(shè)計/驗證等。將Silvaco引入“半導(dǎo)體物理與器件”課程的教學(xué)中，能夠可視化地演示各項散射因素對半導(dǎo)體材料遷移率、電導(dǎo)率及電阻率的影響，同時還能讓學(xué)生理解不同半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，摻雜對費米能級的影響，及重要器件的工作特性。在講解PN結(jié)和肖特基二極管時，Silvaco可以結(jié)合模擬計算及圖像展示，使學(xué)生更容易理解兩種二極管不同點，歐姆電極和肖特基電極的區(qū)別，以及結(jié)端結(jié)構(gòu)如何影響肖特基二極管的擊穿特性等。TCAD軟件走進課堂，可使學(xué)生接觸并掌握當(dāng)代科研方法，參與科研項目，為日后的科研及就業(yè)奠定基礎(chǔ)。

2.4 分享半導(dǎo)體的故事，啟發(fā)式教學(xué)

專業(yè)課的教學(xué)，不是單純地把知識點呈現(xiàn)給學(xué)生，還應(yīng)該注重分享知識理論的背景。在“半導(dǎo)體物理與器件”這門課程的教學(xué)中，可以和學(xué)生分享半導(dǎo)體理論、材料、器件的誕生和發(fā)展歷史。一方面可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)氛圍，另一方面，可以有效地啟發(fā)學(xué)生如何提高探索創(chuàng)新的能力。例如在講解多能谷半導(dǎo)體材料和谷間散射的知識點時，可以講解電子轉(zhuǎn)移器件(耿氏二極管)的誕生歷史。科學(xué)家耿在測量n型GaAs二極管的電流特性時，發(fā)現(xiàn)了電流的不穩(wěn)定性，其他科學(xué)家認為這是噪聲，而耿反對這一觀點，通過反復(fù)實驗，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓穩(wěn)定一定范圍內(nèi)，二極管可以自發(fā)的產(chǎn)生電流振蕩，耿質(zhì)疑和堅持的精神，讓他發(fā)現(xiàn)了電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)的存在，并將這種重要的微波器件命名為“耿氏二極管”。通過這個故事，不僅僅可以將各個知識點貫通起來，還可以培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)研究中質(zhì)疑和探索精神。

在教學(xué)中也應(yīng)積極分享我國在微電子領(lǐng)域的故事，及領(lǐng)軍人才的成長歷史。這些內(nèi)容可以增強學(xué)生的民族自信心、自豪感，以及為解決國家卡脖子問題而奮斗的責(zé)任心。在講“半導(dǎo)體物理與器件”緒論，介紹第三代半導(dǎo)體材料時，可以分享郝躍院士的故事。早在二十世紀九十年代，郝躍院士去美國學(xué)術(shù)交流，敏銳地意識到寬禁帶半導(dǎo)體材料的巨大潛力。然而國內(nèi)鮮有人研究， 最大的困難是國內(nèi)沒有生產(chǎn)寬禁帶材料的設(shè)備?；貒螅略菏恳闳粵Q然地說：“上！哪怕擠出錢來也要上！”靠著堅定的信念，以及不怕吃苦的精神，經(jīng)過了幾十年的奮斗，郝院士的團隊終于走在了別人的前面，為國家的微電子事業(yè)做出了重要的貢獻。個人的命運與國家命運休戚相關(guān)，年輕人要堅持自己的信念，不能輕言放棄。榜樣的力量因真實而打動人心，可以激發(fā)學(xué)生的奮斗精神。

2.5 緊跟科技動態(tài)，加強前沿半導(dǎo)體知識的學(xué)習(xí)

微電子技術(shù)在全球具有重大的戰(zhàn)略意義，是當(dāng)代發(fā)展最快的技術(shù)之一，不斷地出現(xiàn)新材料和新技術(shù)，因此要求“半導(dǎo)體物理與器件”課程必須與時俱進，緊跟世界前沿，關(guān)注國家導(dǎo)向。半導(dǎo)體物理技術(shù)與實際生活息息相關(guān)，如陶瓷技術(shù)、新能源技術(shù)、光伏技術(shù)等等。作為基礎(chǔ)的硅材料在全球已形成巨大的產(chǎn)業(yè)，而硅基異質(zhì)材料、寬禁帶材料、二維材料、柔性材料等新型半導(dǎo)體材料正成為全球半導(dǎo)體材料領(lǐng)域研究與發(fā)展的熱點。

在“半導(dǎo)體物理與器件”的教學(xué)中，應(yīng)抓住機會，巧妙地展現(xiàn)半導(dǎo)體技術(shù)在實際生活中的應(yīng)用和飛速發(fā)展。通過課堂科普，邀請專家開設(shè)專題講座、網(wǎng)絡(luò)課程、微信公眾號、短視頻、增設(shè)選修課程、分享學(xué)術(shù)文獻等多種途徑和方式，開拓學(xué)生的視野，讓學(xué)生了解當(dāng)代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點及產(chǎn)業(yè)需求。作為教師，要堅信學(xué)生強大的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)作潛能。可以利用本科導(dǎo)師制，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇合適的導(dǎo)師，投入到導(dǎo)師的創(chuàng)新型課題中，或者參與更多的競賽及國家的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃。在大類培養(yǎng)中，潛移默化地增加學(xué)生的專業(yè)認同感，培養(yǎng)學(xué)生自身發(fā)展和不斷創(chuàng)新的能力，高質(zhì)量地培養(yǎng)微電子領(lǐng)域的人才。

3 結(jié)語

“半導(dǎo)體物理與器件”是微電子專業(yè)不可或缺的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，奠定了后續(xù)所有專業(yè)課的理論基礎(chǔ)。我們分析了“半導(dǎo)體物理與器件”存在的種種問題，貫徹大類培養(yǎng)的原則，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段出發(fā)提出了教學(xué)改革方法。合理編排教學(xué)內(nèi)容，重視基礎(chǔ)理論教學(xué)，重視實驗教學(xué)，將TCAD軟件引入課堂，使教學(xué)內(nèi)容形象化，重視啟發(fā)式教學(xué)，加強前沿內(nèi)容的教學(xué)。目的是緊跟當(dāng)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的要求，因材施教，高效地培養(yǎng)微電子領(lǐng)域的人才。大類培養(yǎng)模式還在探索中，需要更多的教育工作者投身到微電子基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)改革中。