半導(dǎo)體器件原理教學(xué)改革

孫艷梅

半導(dǎo)體器件原理教學(xué)改革

孫艷梅

（黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

半導(dǎo)體器件原理是學(xué)習(xí)集成電路芯片技術(shù)的基礎(chǔ)和核心課程．由于該課程具有內(nèi)容多、公式長、機(jī)理復(fù)雜的特點(diǎn)，課堂教學(xué)難度較大．結(jié)合半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和該課程的特點(diǎn)、教學(xué)實(shí)踐及目前教學(xué)過程中存在的問題，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面對課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，探索實(shí)現(xiàn)路徑，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，夯實(shí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)．

半導(dǎo)體器件原理；集成電路芯片；教學(xué)理念；教學(xué)方法

以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為支撐的集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)的核心，集成電路又是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及保障國家安全的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)[1]．然而，目前我國集成電路技術(shù)與國際先進(jìn)技術(shù)水平仍有較大差距，關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展受到限制，這鉗制了我國在5G通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，也限制了我國進(jìn)入全球高端產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)程．近年來所發(fā)生的“中興事件”“孟晚舟事件”“華為5G禁令事件”等都與集成電路芯片技術(shù)密切相關(guān)．發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)集成電路高端人才是突破該瓶頸的有效措施[2]．隨著我國集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人才短缺的現(xiàn)象凸顯，而高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)承擔(dān)著該領(lǐng)域人才培養(yǎng)的主要任務(wù)．

半導(dǎo)體器件是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)．理解和掌握集成電路核心器件的工作原理是集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)．半導(dǎo)體器件原理課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和集成電路專業(yè)的一門專業(yè)必修課，又是這兩個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)課，是器件模擬與工藝仿真、模擬集成電路、數(shù)字集成電路等課程的前導(dǎo)課程．半導(dǎo)體器件原理課程通過分析半導(dǎo)體器件中載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究半導(dǎo)體器件的工作原理和特性，是半導(dǎo)體器件性能控制、開發(fā)和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)[3-4]．

1 課程的特點(diǎn)及存在的問題

1.1 教學(xué)模式單一，缺乏自主意識(shí)培養(yǎng)

半導(dǎo)體器件原理課程的宗旨在于使學(xué)生掌握典型半導(dǎo)體器件的工作機(jī)理和特性控制方法，為設(shè)計(jì)和制造集成電路芯片奠定基礎(chǔ)[5-6]．半導(dǎo)體器件原理內(nèi)容涉及廣泛，知識(shí)點(diǎn)多，物理機(jī)理復(fù)雜，其典型特點(diǎn)是：器件種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，物理概念抽象，公式冗長，推導(dǎo)繁瑣．傳統(tǒng)的以傳授知識(shí)為中心的“填鴨式”教學(xué)方法對學(xué)生知識(shí)體系進(jìn)行構(gòu)建，很難照顧到學(xué)生對枯燥、抽象、復(fù)雜的理論知識(shí)的抵觸，使得學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致僵化地記憶．從整體反映來看，學(xué)生對這門課程的積極性低，課堂互動(dòng)差，教學(xué)效果不理想．

1.2 課程內(nèi)容陳舊，滯后于先進(jìn)技術(shù)

當(dāng)今全球微電子領(lǐng)域迅猛發(fā)展，知識(shí)更新速度快，新技術(shù)、新理論不斷涌現(xiàn)，各個(gè)學(xué)科之間的融合交叉愈發(fā)密切．目前，半導(dǎo)體器件原理課程內(nèi)容陳舊，落后于時(shí)代信息技術(shù)的發(fā)展，而且電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)或集成電路專業(yè)培養(yǎng)方案的修訂難以跟上信息技術(shù)的飛速發(fā)展．特別是當(dāng)器件的工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)入納米尺度時(shí)，絕緣柵場效應(yīng)晶體管的性能越來越受到短溝道效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)、漏誘生勢壘降低效應(yīng)、溝道長度調(diào)制效應(yīng)和小尺寸方面存在的量子效應(yīng)等的限制．隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員開發(fā)了多種基于新原理、新結(jié)構(gòu)和新材料的半導(dǎo)體器件．目前，半導(dǎo)體器件原理的教學(xué)內(nèi)容落后于先進(jìn)技術(shù)．

1.3 理論實(shí)踐脫節(jié)，很難適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

半導(dǎo)體工業(yè)人才的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，學(xué)生不僅要具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要通過實(shí)際的工程實(shí)踐加深對理論知識(shí)的理解與運(yùn)用．所以，需要高校與產(chǎn)業(yè)界合作對學(xué)生進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)勢互補(bǔ)和共同發(fā)展進(jìn)步，為國家培養(yǎng)具有創(chuàng)造思維和能夠解決實(shí)際工程問題的半導(dǎo)體工業(yè)人才．然而，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件原理課程教學(xué)模式存在重理論，輕實(shí)踐的弊端．新舊知識(shí)的融合和理論與實(shí)踐缺乏良好的銜接．所以，為有效提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、緊跟現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的專業(yè)人才，進(jìn)行該課程的教學(xué)改革勢在必行．

2 半導(dǎo)體器件原理課程教學(xué)改革

結(jié)合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和半導(dǎo)體器件原理的課程特點(diǎn)、教學(xué)實(shí)踐和目前該課程教學(xué)中存在的問題，對半導(dǎo)體器件原理課程進(jìn)行教學(xué)改革．

2.1 教學(xué)理念改革

當(dāng)今，現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展日新月異，器件的種類日益增多兼具新的結(jié)構(gòu)和新的性能，新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)．任何一門課程都不能涵蓋所有的器件及其工藝，更無法介紹和解釋所有器件的特性．要在有限的教學(xué)課時(shí)中豐富學(xué)生的認(rèn)知，就要求我們首先進(jìn)行教學(xué)理念改革．教師要充分確立學(xué)生是學(xué)習(xí)主體的理念，避免學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考能力的培養(yǎng)，樹立民主的工作作風(fēng)．通過引導(dǎo)和分析，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)．需要強(qiáng)調(diào)的是，教學(xué)效果并不只是通過卷面成績進(jìn)行驗(yàn)收，而是在學(xué)生的分析問題、解決問題的綜合能力等方面進(jìn)行體現(xiàn)．只有提高學(xué)生的綜合能力，未來在面對多種新型半導(dǎo)體器件時(shí)，學(xué)生才能應(yīng)對自如．

2.2 教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)與更新

傳統(tǒng)的教學(xué)側(cè)重于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，較少涉及到理論在實(shí)際生活中的應(yīng)用．據(jù)此，可增加知識(shí)應(yīng)用的教學(xué)．考慮到實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科教育的重要組成部分，是學(xué)生把理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行結(jié)合的重要途徑．實(shí)驗(yàn)是學(xué)生動(dòng)手操作的好機(jī)會(huì)，在實(shí)際操作中學(xué)生可能會(huì)遇到各種問題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以把對應(yīng)理論知識(shí)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的詳細(xì)講授，不僅可以激發(fā)學(xué)生對知識(shí)的探索欲望，還有益于學(xué)生更深刻地接受和理解理論知識(shí)．

當(dāng)前，半導(dǎo)體器件正朝著“高于摩爾”和“超越摩爾”兩個(gè)方向飛速發(fā)展[7]．器件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)架和材料性能都要滿足半導(dǎo)體器件3D堆垛“異質(zhì)異構(gòu)”的集成要求，教學(xué)中可結(jié)合“超越摩爾”突破傳統(tǒng)CMOS工藝的技術(shù)瓶頸的科學(xué)前沿，例如：二維層狀材料在納米尺度上優(yōu)異的電學(xué)特性，采用碳納米管、石墨烯、二硫化鉬、氮化硼、層狀雙金屬氫氧化物、鈣鈦礦等新材料構(gòu)建基于電子自旋、量子點(diǎn)的偶極矩和憶阻器等新型器件等先進(jìn)材料及器件對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新[8-9]．

另外，隨著6G數(shù)據(jù)通信、超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及太赫茲檢測等技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新器件、新技術(shù)層出不窮[10]．為培養(yǎng)能夠適應(yīng)技術(shù)變革甚至引領(lǐng)未來的半導(dǎo)體工業(yè)人才，半導(dǎo)體器件原理課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該將學(xué)術(shù)前沿成果和行業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)融入教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握集成電路技術(shù)的發(fā)展趨勢，為未來技術(shù)升級(jí)提供知識(shí)儲(chǔ)備．考慮到半導(dǎo)體工業(yè)界高層人才不僅要具備設(shè)計(jì)當(dāng)前主流器件、并迅速投入工業(yè)生產(chǎn)的能力，還要具備靈活應(yīng)對半導(dǎo)體器件發(fā)展過程中未來在材料、機(jī)理以及結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生的換代升級(jí)的能力，將半導(dǎo)體器件原理課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分（見圖1）．其中，器件基礎(chǔ)模塊屬于本科生階段半導(dǎo)體器件原理的知識(shí)結(jié)構(gòu)；核心器件模塊是當(dāng)前CMOS工藝中集成電路的主流器件，也是半導(dǎo)體器件原理課程的主要知識(shí)結(jié)構(gòu)；新型器件模塊側(cè)重于基于新材料、新機(jī)制和新結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)前沿成果以及半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)．

圖1 半導(dǎo)體器件原理的課程知識(shí)結(jié)構(gòu)

2.3 教學(xué)方法改革

“灌輸式”教學(xué)模式下，學(xué)生對知識(shí)的領(lǐng)悟和理解是非常有限的，甚至?xí)チ藢W(xué)習(xí)興趣，從而被動(dòng)學(xué)習(xí)．半導(dǎo)體器件原理是一門知識(shí)面廣、理論與實(shí)踐并重的交叉學(xué)科．教師在教學(xué)中要做到“詳略得當(dāng)”，工程實(shí)踐中需要經(jīng)常用到的知識(shí)點(diǎn)就要詳細(xì)講解，有些不好理解的晦澀難懂的深?yuàn)W理論和機(jī)制應(yīng)該略解，從而消除學(xué)生畏難的心理負(fù)擔(dān)．對于部分抽象的理論機(jī)制和原理以及晦澀難懂的知識(shí)點(diǎn)，可以將半導(dǎo)體器件工作原理制作成視頻和動(dòng)畫進(jìn)行演示和體現(xiàn)，可以有效提高教學(xué)效果．當(dāng)學(xué)生具備相當(dāng)?shù)南嚓P(guān)理論基礎(chǔ)時(shí)再進(jìn)行實(shí)踐，走進(jìn)企業(yè)，通過企業(yè)或工廠生產(chǎn)線參觀學(xué)習(xí)及講解幫助學(xué)生消化理論知識(shí)內(nèi)容，頭腦中將理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，把學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)學(xué)習(xí)．針對參觀的內(nèi)容，回校后針對不同的知識(shí)點(diǎn)可提出相關(guān)問題，組織學(xué)生分組討論，然后由學(xué)生分析問題并進(jìn)行講解，再啟發(fā)其他學(xué)生進(jìn)行討論，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的能力以及團(tuán)結(jié)合作精神．評(píng)估學(xué)習(xí)效果通常采用美國緬因州國家訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室所提出的金字塔模型（見圖2），努力實(shí)現(xiàn)金字塔塔底的學(xué)習(xí)效果．

圖2 金字塔模型

2.4 教學(xué)手段改革

通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建的師生互動(dòng)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，教師課前布置自學(xué)任務(wù)，并在組織學(xué)習(xí)平臺(tái)上上傳視頻教程和學(xué)習(xí)資料供學(xué)生隨時(shí)自學(xué)查閱，讓學(xué)生課后提交總結(jié)報(bào)告，開通評(píng)論區(qū)和實(shí)時(shí)留言功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交流．充分利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢，結(jié)合動(dòng)畫、音頻和視頻等方式，直觀、深刻地展示和解讀器件的構(gòu)建過程及載流子的輸運(yùn)過程，使抽象、深?yuàn)W的理論知識(shí)變得可視化、形象化，提供給學(xué)生不同角度的感官體驗(yàn)和知識(shí)體驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)對知識(shí)的理解．

雖然微電子類院校都會(huì)開設(shè)半導(dǎo)體器件原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但實(shí)際并不能反映現(xiàn)階段CMOS工藝的特點(diǎn)，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于當(dāng)前的工藝技術(shù)水平．針對上述問題，可將大型半導(dǎo)體器件仿真軟件Slivaco TCAD引入到教學(xué)中，進(jìn)行半導(dǎo)體工藝和半導(dǎo)體器件等多項(xiàng)模擬仿真．可涵蓋二極管、雙極性晶體管、高電子遷移率晶體管、絕緣柵場效應(yīng)晶體管、鰭式晶體管等現(xiàn)代集成電路工藝中的多種類型器件，模擬真實(shí)先進(jìn)的工業(yè)器件的電特性，使學(xué)生在交互操作中對半導(dǎo)體核心器件的工作原理有直觀、深刻的理解．在Silvaco TCAD中，數(shù)值計(jì)算是基于一系列物理模型及方程進(jìn)行的，不同的物理模型有不同的適用條件，物理模型的選擇直接影響仿真的準(zhǔn)確性甚至正確性．通過對比不同物理模型、不同工藝參數(shù)的模擬結(jié)果，加深對理論知識(shí)的理解．選擇不同的物理模型、器件類型、分析方法，并加入新材料、新結(jié)構(gòu)、新特性的器件實(shí)驗(yàn)，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、主動(dòng)探索的能力和創(chuàng)新意識(shí)．在課堂上使用仿真軟件，可以使枯燥的公式計(jì)算結(jié)果更有說服力和有效性．

3 結(jié)語

半導(dǎo)體器件原理課程要求學(xué)生掌握半導(dǎo)體核心器件的工作原理、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和發(fā)展趨勢，使學(xué)生具備一定的器件性能分析、工藝設(shè)計(jì)和性能控制的基礎(chǔ)．結(jié)合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及半導(dǎo)體器件原理課程的特點(diǎn)和目前課程教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)理念、內(nèi)容、方法和手段等方面進(jìn)行教學(xué)模式的整合與重構(gòu)探索研究，以期增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，改善教學(xué)質(zhì)量，以培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)能力、適應(yīng)科學(xué)研究和社會(huì)生產(chǎn)需要的綜合型人才．

[1] 魏少軍．2017年中國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析[J]．集成電路應(yīng)用，2017（4）：6-11．

[2] 段理，張亞輝，樊繼斌，等．《半導(dǎo)體材料及器件》教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．教育教學(xué)論壇，2017（4）：169-170．

[3] 齊吉泰．半導(dǎo)體器件中的量子隧道效應(yīng)[J]．高師理科學(xué)刊，2002，22（2）：23-26．

[4] 董可秀，石永華，艾青云，等．案例教學(xué)法在“半導(dǎo)體器件原理”教學(xué)中的嘗試與反思[J]．廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，18（2）：110-113．

[5] 曹偉，羅民，陳海燕．基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的雙波長環(huán)形腔連續(xù)波光纖激光器[J]．高師理科學(xué)刊，2019，39（4）：43-45．

[6] 張芳，任大慶，張納．淺談《半導(dǎo)體物理與器件》課程的教學(xué)改革[J]．教育教學(xué)論壇，2019（23）：133-134．

[7] 常勝．后摩爾時(shí)代研究型微電子人才培養(yǎng)思考[J]．教育教學(xué)論壇，2019（3）：214-216．

[8] 謝生，徐江濤，韓旭，等．“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件原理”課程改革與探索[J]．教育教學(xué)論壇，2022（3）：41-44．

[9] 孫玲，黎明，吳華強(qiáng)，等．后摩爾時(shí)代的微電子研究前沿與發(fā)展趨勢[J]．中國科學(xué)基金，2020（5）：652-659．

[10] 彭強(qiáng)．針對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的“半導(dǎo)體器件物理”課程教學(xué)改革探索[J]．江蘇科技信息，2017（8）：66-67．

Teaching reform of semiconductor device principle

SUN Yanmei

（School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150080，China）

Principles of semiconductor devices is the basic and core course for learning integrated circuit chip technology．Because the course has many contents，long formula and complex mechanism，the classroom teaching is more difficult．Based on the current development situation of semiconductor industry，the characteristics of this course， teaching practice and existing problems in the teaching process，the course teaching mode is integrated and reconstructed from the aspects of teaching concept，teaching content construction，teaching methods and means，and the realization path is explored，so as to enhance students′ interest in learning and improve teaching quality，and consolidate students′ professional foundation．

semiconductor device principle；integrated circuit chip；teaching philosophy；teaching method

1007-9831（2023）11-0093-04

TN36∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.11.018

2023-04-12

黑龍江大學(xué)高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2021C13）

孫艷梅（1979-），女，吉林前郭人，副教授，博士，從事功能材料與器件研究．E-mail：sunyanmei@hlju.edu.cn