“半導(dǎo)體物理與器件”教學(xué)改革探索

陳顯平 陶璐琪

[摘 要] “半導(dǎo)體物理與器件”作為微電子技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有知識點(diǎn)多、授課時(shí)間短等特點(diǎn)。在教學(xué)過程中精簡內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)對基本概念、基本思想和基本理論方法的理解與掌握，引入Materials Studio和Silvaco TCAD模擬計(jì)算軟件，引導(dǎo)學(xué)生探索不同半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和不同器件結(jié)構(gòu)的性能，并用實(shí)驗(yàn)測量相關(guān)器件的電學(xué)特性，理論、模擬仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力和探索精神，提高學(xué)生的科研能力與素質(zhì)。

[關(guān)鍵詞] 半導(dǎo)體物理;教學(xué)改革;探索

[基金項(xiàng)目] 2019年度重慶大學(xué)“基于STEM教育理念的‘半導(dǎo)體物理跨學(xué)科課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（2019Y21）;2019年度重慶大學(xué)光電工程學(xué)院“基于科研項(xiàng)目導(dǎo)向與興趣驅(qū)動(dòng)的光電工程本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)研究”（2019J01）

[作者簡介] 陳顯平（1979—），男，重慶墊江人，博士，重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)及智能裝備協(xié)同創(chuàng)新中心執(zhí)行主任，正高，主要從事先進(jìn)傳感器與感知技術(shù);功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)、封裝及可靠性;新型電子材料及器件研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）08-0047-04? ? [收稿日期] 2020-10-23

隨著5G技術(shù)商用進(jìn)程的加快，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將迎來新的變革與發(fā)展。人才作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心要素之一，對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)長久發(fā)展至關(guān)重要，而“半導(dǎo)體物理與器件”作為半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)課程，其教學(xué)效果與質(zhì)量顯得尤為重要。同時(shí)半導(dǎo)體技術(shù)與知識不斷快速更新，對人才的要求越來越高，傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以適應(yīng)人才要求，加快相關(guān)教學(xué)改革勢在必行。

一、“半導(dǎo)體物理與器件”課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題

（一）教學(xué)內(nèi)容多且抽象，合適的自學(xué)教材少

“半導(dǎo)體物理與器件”作為微電子技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，包含了固體物理、量子力學(xué)、半導(dǎo)體材料物理和半導(dǎo)體器件物理等相關(guān)知識。其本科教學(xué)內(nèi)容主要分為兩部分：一是半導(dǎo)體材料屬性，主要討論固體晶體結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)、固體量子理論、平衡半導(dǎo)體、運(yùn)輸現(xiàn)象、半導(dǎo)體中的非平衡過剩載流子等內(nèi)容;二是半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，主要討論P(yáng)N結(jié)、PN結(jié)二極管、金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管等內(nèi)容[1]。該課程內(nèi)容具有較高的深度和廣度，要求學(xué)生具有良好的相關(guān)物理理論知識基礎(chǔ)和扎實(shí)的數(shù)學(xué)能力。在授課過程中，面對各種物理概念和相關(guān)模型復(fù)雜的推導(dǎo)過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)中常常感到課程內(nèi)容抽象雜亂，抓不住重點(diǎn)，隨著課程的進(jìn)行，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力快速下滑?？晒┻x擇的相關(guān)教材要么大量涉及固體物理、量子物理和煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，要么內(nèi)容太多太雜，很難分清主次，難以引起學(xué)生自學(xué)的興趣。

（二）教學(xué)方式枯燥單一，不能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

目前“半導(dǎo)體物理與器件”課程教學(xué)仍然采用教師講解、學(xué)生聽課、課后復(fù)習(xí)的模式，講授方式主要以板書和多媒體技術(shù)（如PPT）相結(jié)合。本課程內(nèi)容多且較難，而且學(xué)時(shí)少，為了按時(shí)完成指定教學(xué)內(nèi)容，教師不得不在單次課中講解大量知識點(diǎn)，從而時(shí)常出現(xiàn)教師激情講解、PPT課件不停翻頁、黑板上公式一個(gè)覆蓋一個(gè)，而聽課學(xué)生卻是面無表情不知所云的現(xiàn)象。這種枯燥單一的教學(xué)模式不僅使學(xué)生感到枯燥乏味，消磨學(xué)習(xí)熱情與興趣，導(dǎo)致對課程知識點(diǎn)的理解不充分，相關(guān)思想不能把握，而且同樣會(huì)影響授課教師的積極性。雖然教師花費(fèi)大量時(shí)間備課、做PPT課件，規(guī)劃知識講解路徑，但課上卻得不到學(xué)生們的積極反應(yīng)，教學(xué)效果并不理想。

（三）注重理論教學(xué)，缺乏實(shí)踐與理論的結(jié)合，學(xué)生解決問題的能力差

“半導(dǎo)體物理與器件”課程采用的講解方式通常只限于書本內(nèi)容，而學(xué)生的學(xué)習(xí)也只限于老師講解的部分，課外擴(kuò)展少。書中有很多結(jié)論是通過數(shù)學(xué)公式來表示，整體抽象難以理解，而為了通過考試拿到所需的學(xué)分，部分學(xué)生采取死記硬背的方式來應(yīng)付考核。由于缺乏理論與實(shí)踐的結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力差。將實(shí)驗(yàn)仿真和科研等方式加入教學(xué)過程中，不僅可以加深學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的理解，喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高自學(xué)能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力，豐富課堂內(nèi)容。

（四）考核及評價(jià)方式單一

在以往傳統(tǒng)教學(xué)中，教師是評定學(xué)生成績的唯一主體，這種評價(jià)方式較為片面，具有一定局限性。傳統(tǒng)的“一考定全局”的方式普遍應(yīng)用在對學(xué)生成績的評價(jià)之中，然而這種評價(jià)方式具有一定的偶然性，并不能完全反映出學(xué)生對所學(xué)知識整體的掌握程度以實(shí)踐創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的考核方式僅僅能反映出學(xué)生應(yīng)對考試的能力以及對書本內(nèi)容的掌握程度，不能很好地反映出學(xué)生對書本內(nèi)容以外知識的掌握程度以及自主創(chuàng)新實(shí)踐能力。

二、“半導(dǎo)體物理與器件”課程教學(xué)改革探索

（一）精簡內(nèi)容，突出基本知識點(diǎn)，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱

面對教學(xué)內(nèi)容多、難度大的問題，在講授過程中應(yīng)突出并加強(qiáng)學(xué)生對基本概念、基本思想、基本理論方法的理解與掌握，精簡內(nèi)容，厘清知識結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和自學(xué)能力。數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用在相關(guān)理論方法（如PN結(jié)小型號模型的建立）講授中必不可少，教師可以講解推導(dǎo)思路并鼓勵(lì)學(xué)生自己推導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用能力。同時(shí)根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容并制定相應(yīng)教學(xué)大綱?！鞍雽?dǎo)體物理與器件”是面向大多數(shù)理工科專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)課程， 其所研究的半導(dǎo)體材料物理知識和半導(dǎo)體器件物理是電子、電氣等領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，并且與材料科學(xué)與工程、自動(dòng)化、機(jī)械工程、生物工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域交叉滲透[2]，這就要求不同專業(yè)背景的學(xué)生要了解與掌握半導(dǎo)體物理與器件的相關(guān)知識。而傳統(tǒng)教材大多只是針對微電子技術(shù)專業(yè)編寫，過多涉及現(xiàn)代物理知識。所以編寫出讓更多不同專業(yè)背景廣泛接受的教材很重要。

在“半導(dǎo)體物理與器件”的教學(xué)中，教師應(yīng)該轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)理念。將“教師灌輸式講授，學(xué)生被動(dòng)接受”的傳統(tǒng)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)者的新型教學(xué)方式，將科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等諸多學(xué)科融入“半導(dǎo)體物理與器件”教學(xué)中，著力培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成跨學(xué)科學(xué)習(xí)的思維習(xí)慣，將被動(dòng)式教學(xué)方式轉(zhuǎn)變成自主探究的教學(xué)方式。將學(xué)生分為若干小組，在課堂上提出問題，小組圍繞前沿科學(xué)問題展開開放式討論，由此激發(fā)學(xué)生求知欲。例如，以光電、電氣、微電子等多學(xué)科為背景，提出怎樣測試半導(dǎo)體材料禁帶寬度，怎樣制備各種半導(dǎo)體器件等問題，然后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生交流討論。這種教學(xué)方式以課堂提出問題—學(xué)生課后查閱資料—分組討論—學(xué)生課堂講解—教師點(diǎn)評為主線，旨在提高師生參與學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生樹立創(chuàng)新意識，培育具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。

（二）引入模擬軟件與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)與探索創(chuàng)新能力

“半導(dǎo)體物理與器件”課程包括半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件兩大內(nèi)容，可以用材料模擬計(jì)算軟件和器件模擬計(jì)算軟件來仿真，如Materials Studio和Silvaco TCAD，將模擬仿真軟件和實(shí)驗(yàn)教學(xué)加入課堂，引導(dǎo)學(xué)生利用工具主動(dòng)探索未知的知識和領(lǐng)域，鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1.半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)模擬。Materials Studio是ACCELRYS公司專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者所設(shè)計(jì)的一款可運(yùn)行在PC上的模擬軟件，可以解決當(dāng)今化學(xué)、材料工業(yè)中的一系列重要問題。Materials Studio支持Windows98、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺，使化學(xué)及材料科學(xué)的研究者能更方便地建立三維分子模型，深入分析有機(jī)晶體、無機(jī)晶體、無定形材料以及聚合物。Materials Studio有多個(gè)功能計(jì)算工具，對于本課程的學(xué)習(xí)來說，只需要用到CASTEP就可以了。CASTEP是先進(jìn)的量子力學(xué)程序，廣泛應(yīng)用于陶瓷、半導(dǎo)體、金屬等多種材料，可研究晶體材料的性質(zhì)（半導(dǎo)體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構(gòu)的性質(zhì)、表面化學(xué)、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、晶體的光學(xué)性質(zhì)、點(diǎn)缺陷性質(zhì)、擴(kuò)展缺陷（晶粒間界、位錯(cuò)）、體系的三維電荷密度及波函數(shù)等。[3]通過CASTEP演示計(jì)算常見硅、鍺等半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)等特性及相關(guān)缺陷摻雜對其性質(zhì)的影響，引導(dǎo)學(xué)生探索其他半導(dǎo)體材料（如寬禁帶半導(dǎo)材料體碳化硅、氮化鎵、超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵、氧化鋁等）的相關(guān)性質(zhì)，加深學(xué)生對費(fèi)米能級、導(dǎo)帶價(jià)帶等能帶理論的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科研探索能力。

2.半導(dǎo)體器件性質(zhì)模擬。為了讓學(xué)生深入理解半導(dǎo)體器件的相關(guān)性能，可以增加TCAD（計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)）軟件仿真教學(xué)內(nèi)容。Silvaco TCAD是由Silvaco International開發(fā)的包含器件仿真（ATLAS）、工藝仿真（ATHENA）等功能的半導(dǎo)體仿真軟件[4]。Silvaco TCAD具有語法簡單易學(xué)、圖形界面易操作、例程豐富可直接調(diào)用等特點(diǎn)，非常適合初學(xué)者學(xué)習(xí)應(yīng)用。通過ATLAS可以仿真研究器件的器件參數(shù)（如摻雜濃度、器件尺寸等）變化對電壓電流的影響，獲取直流、交流和瞬態(tài)情況下器件的電學(xué)參數(shù)（如電場分布、電流分布、溫度分布等）。隨著第三代半導(dǎo)體器件（如SiC MOSFET、GaN HEMT）逐漸商業(yè)化，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件迎來了新的成員，通過ATLAS建立相關(guān)器件結(jié)構(gòu)、劃分網(wǎng)格、添加模型與參數(shù)、設(shè)置求解內(nèi)容，可以讓學(xué)生比較不同半導(dǎo)體材料器件的性能差異，激發(fā)其求知欲與探索科學(xué)的動(dòng)力。

3.器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)。仿真只是一種手段，是對理論的重現(xiàn)和各種模型之間的相互驗(yàn)證，在準(zhǔn)確的仿真基礎(chǔ)和工藝邏輯上，可以準(zhǔn)確預(yù)測不同結(jié)構(gòu)和工藝效果，設(shè)計(jì)和優(yōu)化器件。而實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)和驗(yàn)證仿真結(jié)果必不可少的一步。通過設(shè)置測量碳化硅二極管、MOSFET、GaN HEMT等器件的傳輸特性、輸出特性、擊穿特性等電學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)，利用測量的數(shù)據(jù)和器件仿真模擬的結(jié)果進(jìn)行比較研究，能夠加深對模擬仿真手段的理解和書本相關(guān)知識的應(yīng)用。由于仿真模擬和實(shí)驗(yàn)都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，在教學(xué)過程中應(yīng)介紹一些常用的數(shù)據(jù)處理軟件，讓學(xué)生選擇一個(gè)簡單易學(xué)易上手的軟件用于數(shù)據(jù)處理，例如常用的ORIGIN軟件。

通過上述模擬仿真和實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生初步掌握半導(dǎo)體材料與器件的探索工具和器件特性的測量方法和基本測量電路，熟悉一款數(shù)據(jù)處理軟件，加深對半導(dǎo)體知識的理解，進(jìn)一步開拓學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的自學(xué)能力和主動(dòng)探索求知的精神。

（三）優(yōu)化考核方式

通過優(yōu)化教學(xué)考核方式，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生的自發(fā)學(xué)習(xí)與科學(xué)探索精神，使教學(xué)評價(jià)更加注重學(xué)生個(gè)人的科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。為了考查學(xué)生對半導(dǎo)體物理與器件的相關(guān)基本概念、基本思想、基本理論方法的理解與掌握程度，可以通過期末考試的形式考核，以此加深學(xué)生對相關(guān)概念理論的理解。半導(dǎo)體材料與器件的仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生自由組成三個(gè)人左右的一個(gè)小組，三個(gè)人相互學(xué)習(xí)討論Materials Studio、Silvaco TCAD的使用，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案并與其他成員交流，通過PPT或報(bào)告的形式進(jìn)行考核。仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)知識概念的理解，鼓勵(lì)學(xué)生探索創(chuàng)新，并設(shè)置創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)分?jǐn)?shù)。

學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，不僅需要從培養(yǎng)方案、教學(xué)方式、評價(jià)方法等方面做出相應(yīng)的改變，更需要培養(yǎng)學(xué)生樹立創(chuàng)新意識，掌握科研實(shí)踐能力。課上進(jìn)行半導(dǎo)體物理相關(guān)課題的匯報(bào)展示活動(dòng)，根據(jù)匯報(bào)表現(xiàn)予以相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì);課下開展半導(dǎo)體物理項(xiàng)目相關(guān)的專題講座、現(xiàn)場參觀、網(wǎng)絡(luò)宣傳等活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生參與并提交活動(dòng)報(bào)告，根據(jù)報(bào)告內(nèi)容予以相應(yīng)的評價(jià)。這些方式旨在讓學(xué)生接觸并了解半導(dǎo)體物理領(lǐng)域的科研項(xiàng)目，意識到創(chuàng)新能力對個(gè)人發(fā)展的重要性，盡早樹立創(chuàng)新理念，培養(yǎng)實(shí)踐能力，奠定創(chuàng)新基礎(chǔ)。

實(shí)行形成性評價(jià)與終結(jié)性評價(jià)相結(jié)合的全程評價(jià)方式，在不同階段對學(xué)生進(jìn)行考核。如在結(jié)束“半導(dǎo)體物理”每章教學(xué)內(nèi)容后，舉行一次小測驗(yàn)，測驗(yàn)形式可以是考試，也可以是相關(guān)課題匯報(bào)、分組討論等形式。平時(shí)測驗(yàn)成績與期末成績按照一定比例納入學(xué)生最終成績。這種方式可以減少偶然性，相對公平地對學(xué)生成績做出評價(jià)，也可以激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)平時(shí)每一節(jié)課、每一章內(nèi)容，避免“臨時(shí)抱佛腳”式的考前突擊。

從學(xué)院層面出發(fā)，首先，應(yīng)建立長期激勵(lì)制度，面向?qū)W生提供專項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金。獎(jiǎng)學(xué)金評定標(biāo)準(zhǔn)參照學(xué)生科研成果以及參與科研活動(dòng)的熱情度來確定，從精神、物質(zhì)兩個(gè)方面鼓勵(lì)學(xué)生參與科研活動(dòng)。其次，除了對學(xué)生的考核，學(xué)院應(yīng)該對教師的教學(xué)能力進(jìn)行相應(yīng)的評價(jià)考核。學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)不僅需要學(xué)生的主動(dòng)配合，也需要教師積極的引導(dǎo)。完善教師考核、績效評定體系，引導(dǎo)教師參與對本科生的科研指導(dǎo)工作。通過學(xué)生、教師、學(xué)院三方面的協(xié)調(diào)、配合，大大提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

三、結(jié)束語

以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力和探索精神，提升學(xué)生的自學(xué)能力，提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)為基本目標(biāo)，通過半導(dǎo)體物理與器件的基本教學(xué)知識講解和實(shí)踐探索，開展多元化教學(xué)，讓學(xué)生深入理解掌握半導(dǎo)體物理的基本理論知識，并利用相關(guān)工具（模擬仿真軟件）去探索研究該領(lǐng)域熱點(diǎn)問題，鞏固基本知識和技能，培育并提高科研能力與素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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