在實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的能力

張雯 郝秋艷 解新建

摘要：針對大學(xué)生科研能力和動手能力缺乏的現(xiàn)狀，在教授“信息材料測試與分析”課程中，借助開展“半導(dǎo)體材料電阻率測量”實驗的機會，增加了實驗內(nèi)容和測量數(shù)據(jù)總量，引入了對數(shù)據(jù)進行分析研究的內(nèi)容，使學(xué)生在完成一次綜合性實驗的同時，預(yù)演了一次科學(xué)研究過程，鍛煉了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生獨立開展科學(xué)研究工作的能力。

關(guān)鍵詞：科研能力；動手能力；實驗；預(yù)演

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）36-0053-02

一、引言

經(jīng)過大學(xué)四年的學(xué)習(xí)和鍛煉，獨立的科學(xué)研究能力[1]是大學(xué)生應(yīng)該具備的基本技能之一。這種獨立科學(xué)研究能力的培養(yǎng)，很多學(xué)校是在畢業(yè)設(shè)計（論文）階段進行的，通過指導(dǎo)學(xué)生獨立完成一次具體的科學(xué)研究活動，并取得理想的成績來獲得。但在實際教學(xué)活動中，由于學(xué)生沒有先期的知識和技能的積累，一般都存在如下的一些問題：面對一個研究題目，不知如何開始，不知采用何種研究方法；面對紛繁的實驗設(shè)備，不知道如何選擇和使用；面對大量的實驗數(shù)據(jù)和測量圖表，不知道如何進行分析和研究，并得到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。而對實驗過程中出現(xiàn)的一些意外事件，如實驗偏差、操作失誤、環(huán)境改變等，更不知道如何解決[2]。因此，在學(xué)生開展畢業(yè)設(shè)計（論文）工作之前，在所教授的相關(guān)專業(yè)課程中，有意識地補充相關(guān)知識，培養(yǎng)相關(guān)實驗技能，就顯得非常重要了。如果能夠在專業(yè)課講授過程中，開設(shè)綜合實驗課，預(yù)演部分或者全部的科研工作過程，使學(xué)生能在綜合實驗過程中掌握科研工作的要旨[3]，明確科研工作的真正內(nèi)涵，就可以為將來的科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。

我們在講授“信息材料測試與分析”課程過程中，利用進行實驗“半導(dǎo)體材料電阻率測量”的機會，拓展介紹了熱歷史對半導(dǎo)體硅單晶中雜質(zhì)行為的影響，引導(dǎo)同學(xué)探索熱歷史對硅單晶電阻率和電子壽命的影響[4]，設(shè)計了“熱歷史對半導(dǎo)體硅單晶電阻率影響”的綜合實驗，指導(dǎo)學(xué)生進行數(shù)據(jù)處理工作，使學(xué)生在實驗過程中，體驗并預(yù)演了一次科學(xué)研究過程[5]，鍛煉培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和科研能力。

二、培養(yǎng)科學(xué)研究能力的切入點

在電子工業(yè)中，約80%的電子材料是硅材料，包括硅單晶和硅多晶，因此，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力就從研究硅材料的性能開始。本文選擇基礎(chǔ)的性能參數(shù)——電阻率，作為研究的目標(biāo)，開展相應(yīng)的研究和教學(xué)工作。

電阻率是用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量，是材料最重要的電學(xué)性能。其定義是，某種材料制成的長1米、橫截面積1平方毫米導(dǎo)線在常溫下（20℃時）的電阻，叫做這種材料的電阻率。電阻率的單位是歐姆·米（Ω·m或ohmm）。

1.普通材料電阻率的測量方法。由電阻率的定義可以得知，如果能在實驗中測量得到確定長度和橫截面積材料的電阻，就可以得知該材料的電阻率。對于導(dǎo)電的金屬材料確實可以用測量電阻的方法得到材料的電阻率，但對于半導(dǎo)體材料，使用測電阻從而獲得材料電阻率的方法，卻存在著極大的困難，因為材料電阻的測量通常都是使用直流電路，利用歐姆定律原理，測量出電阻兩端的電勢降和通過電阻的電流強度計算出材料的電阻。而當(dāng)半導(dǎo)體材料接入電子回路時，半導(dǎo)體材料的表面和金屬導(dǎo)線間存在著較大的接觸電阻，該接觸電阻遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體材料本身的電阻，此時，通過電子回路測量得到的電阻不是半導(dǎo)體材料的真實電阻。通常情況下，半導(dǎo)體材料電阻率的測量，需要特殊設(shè)計的測量儀器。

2.半導(dǎo)體材料電阻率的測量方法。半導(dǎo)體材料電阻率的測量有三種常用的方法：單探針擴展電阻法、兩探針法和四探針法。四探針法是操作簡單適應(yīng)性較好的測量方法[6]，得到了廣泛的使用。本次實驗，就采用了四探針法測量研究所有單晶硅樣品的電阻率。共有11組同學(xué)進行了該項實驗。

3.影響半導(dǎo)體材料電阻率的因素。硅單晶是由多晶硅原料經(jīng)熔化結(jié)晶冷卻形成的，由于單晶體在不同的溫區(qū)停留了不同的時間，晶體的結(jié)晶狀態(tài)、缺陷狀態(tài)（包括雜質(zhì)缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、施主受主缺陷等）和最終的物理化學(xué)性質(zhì)，都受到熱歷史的影響，因此，研究硅單晶的熱歷史，將硅單晶置于不同的熱場條件下，可以達到去除缺陷、改善性能的目的。不同的熱處理工藝是改善硅單晶性能的重要手段。

熱歷史的研究，一般可以分成兩種：一是當(dāng)硅單晶處于不同的溫度時，對硅單晶進行急冷處理，保持硅單晶在該溫度點時的狀態(tài)，研究硅單晶在不同溫度點的性能。二是當(dāng)硅單晶處于不同的溫度時，對硅單晶進行緩冷處理，研究硅單晶從某一溫度點冷卻到室溫時，性能的變化情況。急冷可以研究硅單晶的高溫狀態(tài)，但高溫狀態(tài)下對硅單晶進行急冷操作，需要較高的實驗技能，需要嚴(yán)格的保護措施，適合由專業(yè)的人員進行操作，不適合無經(jīng)驗的學(xué)生。緩冷研究，可以考察硅單晶在低于某一溫區(qū)的條件下性能的變化，因為是常溫下的操作，比較容易進行，所以，本課程選擇常溫緩冷條件，研究熱歷史對硅單晶性能的影響。

三、綜合實驗的設(shè)計

1.總體思想。根據(jù)硅單晶在450℃溫度停留較長時間后，會產(chǎn)生熱施主效應(yīng)這一事實，考慮新生施主會影響硅單晶中載流子的種類和數(shù)量，另外，硅單晶在空氣環(huán)境中的熱處理，會導(dǎo)致單晶內(nèi)部氧雜質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生改變，也會影響到單晶表面的羊雜質(zhì)狀態(tài)，因此，當(dāng)硅單晶在450℃停留較長時間后，隨著熱施主的出現(xiàn)和氧雜質(zhì)狀態(tài)的變換，單晶硅的導(dǎo)電能力會發(fā)生變化，表現(xiàn)為材料電阻率的變化。據(jù)此，我們設(shè)計了本次綜合實驗。

2.實驗過程。具體目標(biāo)是：考察450℃條件下熱施主效應(yīng)，此效應(yīng)可以通過硅單晶電阻率的變化得到驗證。具體工藝是：將測量過電阻率（ρ0）的單晶硅片水洗醇洗烘干后，放在石英舟上，放入電阻爐，快速升溫（600℃/h）到450℃，保溫4小時，斷電，自然冷卻到室溫，測量樣品的電阻率。將測過電阻率的樣品表面一層（約10微米）研磨掉，再測電阻率。

3.數(shù)據(jù)研究。選擇典型的實驗數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生對四個樣品的四組電阻率數(shù)據(jù)進行分析研究，找出或推測影響材料電阻率變化的可能因素。確定實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的原因，判斷實驗技能對實驗結(jié)果影響的程度。

四、結(jié)果與討論

共有11組同學(xué)進行了實驗，根據(jù)對實驗過程的監(jiān)測和實驗結(jié)果的研究，筆者選擇了四組典型的實驗數(shù)據(jù)匯總。然后，按照這些電阻率測量數(shù)據(jù)，對學(xué)生開展科學(xué)研究工作進行了指導(dǎo)。

首先讓學(xué)生根據(jù)各自的實驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行描述，熱處理前、熱處理后和熱處理再研磨掉表層后，樣品電阻率的變化情況，只進行客觀的描述，再將數(shù)據(jù)匯總。其次，啟發(fā)學(xué)生回憶與450℃閾值相關(guān)的載流子的狀態(tài)，尤其是熱施主的相關(guān)知識，什么是熱施主，熱施主產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)是什么，硅單晶在450℃熱處理為什么會產(chǎn)生熱施主，熱施主的電學(xué)效應(yīng)，等等。第三，選擇四組典型數(shù)據(jù)進行形象化處理，制成圖形，再請同學(xué)們分析研究這幾組數(shù)據(jù)的異同點。為什么同樣的實驗條件，實驗結(jié)果卻不完全一致呢？提示他們，影響電阻率的因素，例如樣品本身氧含量、樣品的清潔程度、樣品的厚度（形狀因子）、四探針測量儀的適用范圍和產(chǎn)生誤差的原因等。第四，根據(jù)同學(xué)們的討論和推測，進行歸納總結(jié)。經(jīng)過一系列啟發(fā)、演示和引導(dǎo)后，學(xué)生終于理清了實驗數(shù)據(jù)并進行了研究分析，給出了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)論，最終完成了實驗，達到了本次實驗預(yù)期的目的。

五、成果

在此次綜合實驗中，經(jīng)過一系列的啟發(fā)、講解和邏輯推理過程的演示，使學(xué)生掌握了科學(xué)研究的初步知識，可以對實驗數(shù)據(jù)進行多角度的分析研究，還可以設(shè)計進一步的實驗，采取多種研究手段對問題進行研究，對結(jié)果進行推理和猜測，在反復(fù)驗證的基礎(chǔ)上，才能獲得確實的結(jié)論，完成科學(xué)研究工作，達到科研的目的。

綜合實驗取得了較明顯的效果。第一，讓學(xué)生復(fù)習(xí)了相關(guān)的載流子、電阻率、電阻率測量、誤差分析等知識，從而在理論知識上有了提高。第二，讓學(xué)生進行了樣品制備、清潔處理、電阻率測量、熱處理爐操作等實驗工作，掌握并提高了實驗技能。第三，對實驗數(shù)據(jù)進行的示范性處理和分析，教會了學(xué)生如何進行科學(xué)研究工作，明白了測試的目的和對測試結(jié)果的分析研究方法，為將來的科學(xué)研究工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[6]楊德仁，等.半導(dǎo)體材料測試與分析[M].北京：科學(xué)出版社，2010.