《半導體材料與器件》雙語教學課程內容建設探討

葉尚輝+周舟

【摘 要】本文針對當前大學本科教育課程體系——光電子專業的基礎課程，即《半導體材料與器件》雙語教學課程的內容建設做了有益的探討，對課程內容的構建、內容組織、內容編譯提出了幾點做法。

【關鍵詞】半導體材料與器件；雙語教學；課程內容

0 引言

隨著信息時代的發展，對光電子專業類人才的需求也越來越大。大學教育作為培養人才的重要基地，承擔了越來越重要的角色；向社會輸送高素質的人才，要求對光電子專業課程體系教學不斷更新改革，賦予其新時代的內涵。目前，還沒有一本合適的教材能滿足這個要求。另外，在教學方法上也缺乏行之有效的方法。

1 課程內容的構建

半導體材料與器件這門課，應該涉及到半導體材料與半導體器件兩個方面的內容，現有的教材在內容構建上往往偏重半導體材料，或是偏重半導體器件，很少能兼顧兩者的材料與器件的平衡。圖1為現有鄧志杰等編的《半導體材料》的內容構建示意圖，明顯偏重于材料，對器件部分只做了簡單的概述，如圖1所示。類似的教材還有楊樹人等編的《半導體材料》。由劉思科等編的《半導體物理學》這門課則大篇幅的介紹半導體物理相關的知識，而對半導體材料涉及較少。同樣，由Dieter K. Schroder 編寫的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》則大部分內容介紹器件特性，而對材料方面的相關知識介紹很少。同樣，佛羅里達大學的Franky So教授編著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》則側重于器件加工制備，Robert F. Pierret等編著的《Semiconductor Device Fundamentals》則側重于器件特性原理。

基于此，本人提出了全新的內容構建策略，該策略同時兼顧了半導體材料與半導體器件兩個方面的內容。該策略結構示意圖如圖2所示，其內容分半導體材料與半導體器件兩個部分，其中半導體材料包含：元素半導體、化合物半導體、摻雜半導體和有機半導體，半導體器件部分包含三個部分的內容，分別是器件基礎、二極管、三極管。

對比圖1、圖2不難看出，新編排的課程內容更簡潔、更全面。其實，現有材料的課程內容編排上有很多的弊端，如知識點內容很相似，交叉重疊性大。如元素半導體，半導體電子材料、半導體光電子材料，在內容上有很大的交疊；非晶、有機和微結構半導體與摻雜半導體有很大的重疊，所以在新方案中將其并入摻雜半導體一章中來講解，而前者并入到半導體一章中來講解。可以看出，新方案更合理、簡潔明了。

半導體材料與器件這么課程，其內容應該包含經典的無機半導體、新型有機半導體；器件內容應該包含經典的二極管、柵控二極管、三級管、結型場效應晶體管。其中，二極管的兩個重要應用，即光伏電池、發光二極管、二極管存儲器件，應該作為一個重要的章節進行介紹。

2 課程內容的組織

在課程內容的組織上，按照由易到難、循序漸進的原則，以及材料-性質-器件應用的原則，先編排材料體系，后編排器件體系。材料體系包含：有本征的p-型材料、n-型材料，非本征摻雜型的p-型材料、n-型材料，以及新型有機半導體材料，包含寬帶隙主體材料、窄帶隙材料。從材料最基本的物理特性，即電阻切入，圍繞電阻的構成因素展開內容，過渡到絕緣體、半導體、導體的概念，以及影響因素，引入到載流子濃度、摻雜、遷移率等概念，即本征的元素半導體向化合型、摻雜型半導體的思路展開。在引入材料的功函數這一概念的基礎上，引入接觸電阻、界面注入勢壘，沿著這一思路自然過渡到肖特基二極管，柵控二極管、三級管等基本的半導體器件等系列概念介紹。該課程內容體系的組織，遵循著從基礎性質到上層器件建設的原則，系統性、邏輯性很強，可以說是環環相扣，要求學生在學習的過程中，任何一個章節的內容都不能落下來，以避免給后繼的內容學習造成困難。同時，該課程也要求授課老師對課程體系的內容有深刻的理解和清楚的認識，做到思路清晰，講解有條有理。

3 課程內容的編譯

依照雙語教學的原則，教材應該采用全英文編寫。以往的雙語教學經驗表明，全英語的教材實施起來很困難，教學效果甚微，甚至比純母語教學的效果更差。原因很簡單，部分學生的外語底子薄，閱讀純英文課本很困難，尤其是專業英語教材，碰到長句、疑難復合句看不懂，專業名詞更是不懂，甚至憑借網絡翻譯也找不到答案。確實，專業名詞，尤其是半導體這門課的專業名詞的翻譯是比較少的。另外，有部分名詞是用構詞法得到的，詞典里根本沒有收錄。這部分學生常常抱怨，中文都看不懂，還看什么英文啊！結果可想而知，什么都沒學到，還不如采用中文版教材教學呢。

鑒于一門新課教材全部用英文編寫的困難，可以部分章節采用中文編寫，部分章節采用英文編寫。對于構成半導體學科的三個基礎理論，如肖特基理論、半導體能帶理論、半導體導電機理、擴散理論，采用中英文對照的形式，以便于學生理解、掌握知識點。對于半導體特有的五大特性，如整流效應、光電導效應、負電阻溫度效應、光生伏特效應和霍爾效應，應做詳細介紹；對于重要現象的發現，如霍爾效應，可以在教材中添加“知識園地”，以增強學生學習興趣、掌握知識點。方便學生自學。

對于半導體材料部分，如元素半導體、化合物半導體、摻雜半導體、有機半導體，可以采用中文的形式撰寫。其中，元素半導體這一章內容比較難，涉及到原子在固態堆積中的排列，即晶體類型、晶格、晶胞結構等，用中文撰寫更便于學生理解。同時，配合適當晶體結構模型，如經典的正四面體結構、面心立方結構、體心結構、六方體心結構、八面體結構模型，來剖析材料的微觀結構特征。并且，這部分內容要求學生有一定的背景知識，如對物質結構這門課有初步的認識。接下來的兩章，如化合物半導體、摻雜半導體，可以簡化材料凝聚態結構的介紹。因為這兩類半導體材料分子堆積結構與元素半導體類似，只是一個衍生結構。所以這兩章的內容重點介紹化合方式以及摻雜形式。對于有機半導體，可以借鑒經典的元素半導體理論，所以結構部分可以簡化，重在介紹有機半導體材料，包含其組成、特性與經典的制備方法。

對于半導體器件部分，其器件基礎應該加以重點介紹，對于常見的半導體器件特性效應加以詳細的描述，采用地道的英語教材，如Arizona State University大學的Dieter K. Schroder.編寫的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》里面的第一、二、三、四章部分內容。該教材系統闡述了半導體材料一些基本特性，如電阻率、載流子密度、摻雜、遷移率、公函、接觸電阻及界面勢壘。重點內容有Schottky barrier diodes，solar cell， bipolar junction transistors， light-emitting diodes， MOSFETs。

4 結論

本文針對半導體材料與器件這門課程的內容建設提出了全新的思路，重新編排了該課程內容，優化了課程內容的內涵，調整了半導體材料與半導體器件這兩方面的內容比例，使內容的組織更平衡、更合理，并對課程內容的編譯提出了新的思路，采用中英文對照使得知識點的闡述更清楚、母語教學更便捷，這將為電子類專業課程的雙語教學提供新的參考。

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[責任編輯：楊玉潔]