半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革探討

摘要：針對(duì)半導(dǎo)體物理課程教學(xué)中存在的主要問題，探討基于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)與教學(xué)體系。根據(jù)半導(dǎo)體物理課程的特點(diǎn)，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，結(jié)合科技前沿與研究熱點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有效提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；教學(xué)改革；教學(xué)效果

作者簡(jiǎn)介：劉德偉（1979-），男，河南濮陽(yáng)人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師；李濤（1977-），男，河南淮陽(yáng)人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師。（河南 鄭州 450002）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）34-0085-02

半導(dǎo)體物理是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果以及學(xué)生未來的就業(yè)和發(fā)展。然而，由于半導(dǎo)體物理的學(xué)科性很強(qiáng)，理論較為深?yuàn)W，涉及知識(shí)點(diǎn)多，理論推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中存在一定的難度。因此，授課教師必須在充分理解半導(dǎo)體物理，熟悉半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)際中存在的問題，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，探索教學(xué)改革措施，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、半導(dǎo)體物理課程特點(diǎn)及教學(xué)中存在的主要問題

鄭州輕工業(yè)學(xué)院采用的教材為劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》（第七版，電子工業(yè)出版社），該教材是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)精品教材。[1]結(jié)合教材特點(diǎn)與教學(xué)實(shí)踐，半導(dǎo)體物理課程教學(xué)過程中存在的主要問題與不足[2]可歸納如下：

1.教材內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多，理論性強(qiáng)

半導(dǎo)體物理課程前五章為理論基礎(chǔ)部分，主要講述了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與非平衡載流子，在此基礎(chǔ)上闡述了電子有效質(zhì)量、費(fèi)米能級(jí)、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；分析了狀態(tài)密度、分布函數(shù)、載流子濃度以及遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系。課程涉及理論知識(shí)較深，易混淆知識(shí)點(diǎn)較多，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)復(fù)雜，很多基本概念及數(shù)學(xué)公式要求學(xué)生掌握量子力學(xué)、固體物理、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理和高等數(shù)學(xué)等多門基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)。因此，學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中，在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)上難以銜接，對(duì)相關(guān)理論的掌握存在一定困難。

2.傳統(tǒng)教學(xué)模式難以理論聯(lián)系實(shí)際

半導(dǎo)體物理課程后八章主要介紹了半導(dǎo)體基本器件的結(jié)構(gòu)與性能，半導(dǎo)體的光、電、熱、磁等基本性質(zhì)。如pn結(jié)電流電壓特性及電容、擊穿電壓與隧道效應(yīng)、肖特基接觸與歐姆接觸；半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)、表面電場(chǎng)對(duì)pn結(jié)性能的影響；半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體激光器等。由于這部分內(nèi)容主要闡述半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用，僅僅從課本上學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，難以理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)于沒有接觸過半導(dǎo)體制備工藝的學(xué)生而言，就會(huì)覺得內(nèi)容枯燥，課堂乏味。

3.教材內(nèi)容無法追蹤科技前沿

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，發(fā)展迅速，例如在半導(dǎo)體照明、半導(dǎo)體激光器、探測(cè)器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域都獲得了重大研究成果，研究領(lǐng)域不斷拓展，新的理論不斷涌現(xiàn)，與化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物等學(xué)科之間的交叉和滲透越來越強(qiáng)，極大地豐富了半導(dǎo)體物理的教學(xué)內(nèi)容。而半導(dǎo)體物理教材內(nèi)容的更新相對(duì)較慢，因此，如何在有限的課時(shí)內(nèi)既要講授教材內(nèi)容，又要穿插相關(guān)科技前沿是一個(gè)值得深入探討的問題。

二、半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革措施

基于以上分析，半導(dǎo)體物理課程對(duì)授課教師要求較高，如何在有限的課堂教學(xué)過程中將大量的知識(shí)講解清楚，需要教師積極探索新的教學(xué)模式，針對(duì)課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀，通過不斷實(shí)踐克服存在的問題與不足，采用多樣化的教學(xué)手段，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，狠抓教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生較好地理解并掌握相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。[3]

1.優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容

由于現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展極為迅速，研究方向不斷拓展，相關(guān)知識(shí)更新較快。因此，授課教師應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注科技前沿與研究熱點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)其它課程的教學(xué)內(nèi)容，在保持課程知識(shí)結(jié)構(gòu)與整體系統(tǒng)性的同時(shí)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理取舍，壓縮與其他課程重疊的內(nèi)容，刪除教材中相對(duì)陳舊的知識(shí)，密切跟蹤科技前沿與研究熱點(diǎn)，適當(dāng)增加新的理論，補(bǔ)充重要的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。例如壓縮教材中第一章固體物理課程已經(jīng)詳細(xì)講解過的能帶理論內(nèi)容，將授課時(shí)間由原來的8學(xué)時(shí)壓縮至6學(xué)時(shí)；在講解半導(dǎo)體光學(xué)特性時(shí)，結(jié)合半導(dǎo)體光電子學(xué)的研究前沿，增加該部分內(nèi)容所涉及的研究領(lǐng)域與最新技術(shù)，如半導(dǎo)體超晶格、量子阱等方面的內(nèi)容；在講述MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性時(shí)，補(bǔ)充C-V特性的研究意義，介紹半導(dǎo)體表面特性對(duì)集成芯片性能的影響，鼓勵(lì)學(xué)生查閱總結(jié)利用C-V特性研究半導(dǎo)體表面的方法；在講授半導(dǎo)體元器件的結(jié)構(gòu)及性能時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充半導(dǎo)體器件的制備工藝，播放一些半導(dǎo)體器件的制備視頻，讓學(xué)生結(jié)合某種半導(dǎo)體器件分析其結(jié)構(gòu)與性能；在講解半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，先讓學(xué)生了解pn結(jié)種類，然后對(duì)比同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)的異同，最后讓學(xué)生掌握異質(zhì)結(jié)的電流電壓特性，通過增加半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史，即從第一支同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器只能在低溫下發(fā)射脈沖激光到現(xiàn)在的異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)異性能，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體物理是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，是科技創(chuàng)新的力量源泉。通過介紹科技前沿與研究熱點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。

2.突出重點(diǎn)，分化難點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)基本概念與物理模型

半導(dǎo)體物理課程涉及到的基本概念和物理模型較多，僅憑教材中的定義理解這些概念和模型，學(xué)生很難完全掌握。在講解深?yuàn)W的物理模型時(shí)，教師應(yīng)運(yùn)用恰當(dāng)?shù)念惐龋ㄟ^生動(dòng)形象的事例對(duì)比分析，加深學(xué)生對(duì)物理模型的理解，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如教材中半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算既是難點(diǎn)又是重點(diǎn)，學(xué)習(xí)中涉及到狀態(tài)密度、玻爾茲曼分布函數(shù)、費(fèi)密分布函數(shù)以及載流子濃度等為較容易混淆的概念。為了幫助學(xué)生理解，教師可以通過教學(xué)樓里面的學(xué)生人數(shù)與半導(dǎo)體中的電子數(shù)目進(jìn)行類比：不同樓層的教室對(duì)應(yīng)不同的能帶，教室座位數(shù)對(duì)應(yīng)能態(tài)的數(shù)目，教室的學(xué)生人數(shù)就相當(dāng)于半導(dǎo)體中的電子數(shù)目，這樣，計(jì)算半導(dǎo)體電子濃度的問題就與計(jì)算教室單位空間內(nèi)學(xué)生人數(shù)的問題非常類似。通過這種生動(dòng)形象的類比，學(xué)生很容易明白半導(dǎo)體中的能態(tài)密度就相當(dāng)于教室單位空間的座位數(shù)，而半導(dǎo)體中的電子在能級(jí)上的占據(jù)幾率就對(duì)應(yīng)于教室內(nèi)學(xué)生的入座情況。半導(dǎo)體中的電子在能級(jí)上的占據(jù)概率需要滿足波爾茲曼分布函數(shù)或費(fèi)米分布函數(shù)，而分布函數(shù)的確定取決于費(fèi)米能級(jí)的位置，當(dāng)分布函數(shù)確定后，單位能量間隔內(nèi)的電子數(shù)目就可以通過簡(jiǎn)單的微積分計(jì)算出來。

另外，半導(dǎo)體物理課程中理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)上的近似處理較多，繁瑣的公式推導(dǎo)增加了學(xué)生對(duì)物理模型的理解。如果教師在教學(xué)過程中能適當(dāng)?shù)匕盐锢砟Ｐ秃凸酵茖?dǎo)分開，正確處理兩者之間的關(guān)系，分別從物理和數(shù)學(xué)兩方面尋找攻克這些難點(diǎn)的途徑，使學(xué)生在徹底理解物理模型的基礎(chǔ)上掌握理論推導(dǎo)。例如教材中有關(guān)n型半導(dǎo)體載流子濃度的內(nèi)容安排如下：首先根據(jù)雜質(zhì)半導(dǎo)體的電中性條件，推導(dǎo)出一個(gè)包含費(fèi)米能的表達(dá)式，然后根據(jù)雜質(zhì)電離情況分為低溫弱電離區(qū)、中間電離區(qū)、強(qiáng)電離區(qū)、過渡區(qū)以及高溫本征激發(fā)區(qū)，最后再根據(jù)不同電離區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行討論與近似處理。所涉及到的物理模型相對(duì)簡(jiǎn)單，但分區(qū)討論和近似處理部分篇幅較長(zhǎng)。如果運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生很容易沉浸在復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)之中，難以透徹理解物理模型。如果教師在授課過程中先讓學(xué)生了解該部分內(nèi)容的整體安排，理解物理模型，再分析各溫區(qū)的主要特點(diǎn)，最后總結(jié)規(guī)律，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出結(jié)論，就能很好地提高教學(xué)效果。

3.溫故知新，適時(shí)比較，加強(qiáng)各章節(jié)之間的聯(lián)系

對(duì)于課堂上剛剛講授過的知識(shí)，學(xué)生并不一定能夠完全掌握，此時(shí)教師應(yīng)該結(jié)合半導(dǎo)體物理課程的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中做到溫故知新，適時(shí)比較，加強(qiáng)不同章節(jié)之間知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。例如pn結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本單元，如日常生活中常見的激光器、LED、整流器、調(diào)制器、探測(cè)器、太陽(yáng)能電池等。在講授該章內(nèi)容時(shí)，如果教師以pn結(jié)為主線將教材中不同章節(jié)之間的內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系起來，學(xué)生就會(huì)從整體上進(jìn)一步了解半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)內(nèi)容。只有在教學(xué)過程中不斷加強(qiáng)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，學(xué)生才能完全掌握半導(dǎo)體器件的基本原理，為以后從事半導(dǎo)體行業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。再如所選教材中有關(guān)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算，分為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體和簡(jiǎn)并半導(dǎo)體兩種情況。在講述后者時(shí)，教師通過對(duì)比分析非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體和簡(jiǎn)并半導(dǎo)體在概念上有何異同，再引導(dǎo)學(xué)生比較簡(jiǎn)并半導(dǎo)體與非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算公式，學(xué)生就會(huì)意識(shí)到二者的主要區(qū)別就是分布函數(shù)不同，在計(jì)算簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度時(shí)，雖然分布函數(shù)替換后導(dǎo)致積分變復(fù)雜，但只是數(shù)學(xué)處理的方法不同，兩者的物理思想?yún)s完全一致。通過這樣的比較學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體與簡(jiǎn)并半導(dǎo)體以及玻爾茲曼分布函數(shù)與費(fèi)米分布函數(shù)的理解就會(huì)更加深入。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過以上教學(xué)改革措施，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了半導(dǎo)體物理課程的課堂教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]馬鐵英，孫一翎，沈?yàn)槊瘢?“半導(dǎo)體物理”重點(diǎn)課程建設(shè)與教學(xué)探討[J].科技信息，2009，（5）：139.

[3]劉秋香，王銀海，趙韋人，等.“半導(dǎo)體物理學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐與探索[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010，（10）：87-88.

（責(zé)任編輯：王意琴）