Materials Studio輔助半導體物理學教學改革與實踐

李泓霖

摘 要：半導體物理學是物理電子類專業最重要的專業課之一，對其學習掌握的成效直接影響學生綜合素質的培養。現如今，半導體學科的飛速發展對半導體物理學課程教學提出了新的高要求，其相應的教學模式必須與時俱進。針對許多高校目前存在的實驗條件不足、相關設備配置不齊等情況，文章利用材料計算軟件搭建虛擬半導體學習平臺，以彌補傳統多媒體教學手段在相關學習過程中的諸多不足。實踐證明，這一方式能夠十分有效地激發學生學習的熱情，顯著改善教學質量。文章著重介紹了半導體物理學教學的特點及現狀，隨后利用Materials Studio軟件實際展示了新教學模式下提高教學質量的方法。

關鍵詞：半導體物理學；實驗教學；Materials Studio

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）11-0126-03

Abstract： Semiconductor physics is one of the most important specialized courses in physics and electronics and the mastery of it directly affects the cultivation of students' overall quality. Nowadays， the rapid development of semiconductor disciplines puts forward new high demands on the teaching of semiconductor physics courses and its corresponding teaching mode must keep pace with the times. In view of the fact that many colleges and universities currently have insufficient experimental conditions and related equipment configurations， this paper uses material computing software to build a virtual semiconductor learning platform to make up for the inadequacies of traditional multimedia teaching methods in the related learning process. Practice has proved that this method can effectively stimulate students' enthusiasm for learning and significantly improve teaching quality. This article focuses on the characteristics and status quo of semiconductor physics teaching， and then uses Materials Studio software to actually demonstrate the method of improving teaching quality under the new teaching mode.

Keywords： semiconductor Physics； Innovative teaching； Materials Studio

半導體產業經過數十年的飛速發展，現已毫無爭議地成為了國民經濟中最重要的組成之一，其不僅在高層面上關系到國家整體利益和國家安全問題，而且在各國綜合國力的較量中舉足輕重，日益成為重要的戰略產業。例如，全球X86架構CPU設計制造已被Intel和AMD掌控，以此賺取了巨額的利潤。世界各國均極力發展本國的半導體產業，以期在這場新的競爭中占據主動權[1]。目前，以舉全國之力發展半導體產業的韓國為例，其對Samsung公司從各方面給予了最大程度的扶持，這使得Samsung公司在近5年實現了彎道超車，其基于10nm的FinFET工藝制程已日臻成熟，甚至可以和發展了30年之久的臺積電相抗衡。而由我國并行計算機工程技術研究中心研制的神威·太湖之光超級計算機，其安裝了40960顆我國自主研發的“申威26010”眾核處理器，其已多次登頂世界超級計算機系統榜首，展示了我國在半導體領域的強大潛力和創新力。可以肯定地說，半導體產業的飛速發展從一開始就帶有競爭的色彩，其不僅是發達國家保持領先的籌碼，更是我國實現跨越發展的重要機遇。2006年，全國科技大會頒布了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》，其中提出自主創新、建設創新型國家戰略，大力發展半導體產業必將帶來新的契機。現代半導體科學發展迅猛、知識快速迭代、競爭持續加劇，這些都對相關人才綜合素質提出了更高的要求，給半導體物理教育提出了新的要求。

半導體物理學是一門主要學習半導體材料特性及相關器件中載流子分布及運動規律的學科，主要論述半導體相關的理論及應用[2]。半導體物理課程作為物理及電子類專業的理論基礎課，其掌握程度直接影響學生后續其他專業課程的學習，比如傳感器應用、新能源、光催化、太陽能電池等。隨著近些年半導體材料技術在世界范圍內蓬勃發展，新材料、新體系、新結構日益涌現，這些都對半導體物理課程教學提出了改革創新的新要求，在滿足自身發展和學生培養的前提下謀求新突破。我國高校目前大多重實用輕機理，在教學上注重學生實際操作能力的訓練，對相關基礎理論的學習關注不夠。這就造成了許多電子信息類專業的學生對相關電子芯片的結構工藝和工作原理不甚清楚。半導體物理學知識點較為分散、涵蓋范圍廣、理論性強，對于剛接觸這門課的學生而言，在理解和應用上都存在相當的難度[3]。在實際教學過程中發現，學生面對諸如能帶結構、異質結、載流子濃度等抽象概念的時候，只能憑想象去理解而無法建立直觀的感受，因此經常產生畏難厭學情緒，對調動學習的積極性十分不利，教學效果往往不能達到預期效果。

因此，針對半導體物理學課程本身的特點，分析不足之處，我們從教學內容及方式等方面進行了全新的探索和嘗試，試圖找尋出能使學科創新發展并提高學生綜合素質的方法。經過一段時間的教學實踐，我們發現采用Materials Studio輔助即時化教學的方法可以使學生更好更快地接受理解半導體物理的相關概念。

一、半導體物理學課程教學現狀

半導體物理學所囊含的研究內容豐富，研究思路和手段前沿多變，而與之對應的傳統半導體物理教學的思路和模式都略顯滯后，難以滿足科技的發展和培養目標的要求[4]。目前大多數高校選用劉恩科主編的《半導體物理學》，最新已修訂到第7版。該書無疑是學習半導體知識最好的書籍之一，其偏重于理論推導，對高數和基礎物理要求較高。由于不同學校對相關聯課程安排的進度和門類差異較大，有的甚至取消了量子力學和固體物理的學習，這不可避免地加大了半導體物理的教學難度，同時也使學生理解起相關知識點的時候頗感壓力[5]。這就要求教師在課堂上兼顧大多數學生的現有水平及理解力，采取新的教學模式。目前半導體物理教學基本上還是采用傳統多媒體，比如PPT、視頻、動畫等手段輔以板書等形式進行，需要闡述的大部分知識點都是涉及到原子/分子尺度上的微結構、微現象和微理論，這些知識抽象晦澀，傳統的講授模式缺少學生和知識點之間的實時互動，不利于激發學生的探索精神和主觀能動性，這些都或多或少地使得學生學習興致不高，課堂效率低下。因此，在半導體物理教學實踐中，著力探求新的授課方法和技術手段，提高課堂教學效率刻不容緩[6]。

我校物理相關專業本科畢業生有相當一部分是以凝聚態物理和理論計算為主要方向繼續深造攻讀碩博士，而半導體物理學則是最基本的專業課，需要為后繼學習打下扎實牢靠的基礎。傳統的多媒體教學是將半導體的有關知識點以動畫、圖形甚至是視頻資料的方式來進行講解，在課堂上的演示能夠帶來較好的效果。學生能直觀地領會到半導體中相關物理狀態變化的過程，有效提高課堂效率。但是，需要說明的是，這種傳統多媒體技術手段的本質仍然是單向性的知識傳遞。意思就是在播放展示相關知識點之前，其相關資料已經是做好了的，在課堂上只是簡單的回放而已。無法做到實時顯示對相關概念、變量、參數作出改變后帶來何種影響。這在一定程度上使學生對半導體物理課程無法有更深入的體會和理解，無法適應當下快節奏高效率的高校授課大環境。

二、基于Materials Studio平臺的實踐教學探索

（一）實踐教學的探討

要對半導體物理學進行教學改革，就考慮到理論聯系實際這一不可或缺的環節。可以想見，最好的方式是依托半導體材料實驗室為學生開設相關物理實驗，對常見的半導體材料及器件進行相關的驗證性實驗，例如利用霍爾效應儀測量半導體材料的載流子遷移率、少子壽命等。然而這些實踐所需的設備往往價格較高，維護成本昂貴，操作復雜。為了解決這一現實性問題，我們考慮用計算材料專業軟件搭建一種成本低、操作簡單、界面人性化的實踐教學平臺，以代替實驗室開展相關教學實踐。這一模式在很多兄弟院校已經得到了廣泛推廣，是一種目前人們積極探索的教學模式。

為搭建實踐平臺，我們需要確定一種可對半導體材料相關的電子能帶、光學特性、磁學特性、異質結等特性進行模擬的專業軟件，并通過實時圖形直觀展現相關結果的軟件平臺。具備這些功能的專業軟件有很多，Accelrys公司開發的Materials Studio是其中優秀的代表之一。Materials Studio中的Castep模塊廣泛應用于半導體、金屬等多種材料，可研究包括表面結構、電子結構、光學性質、缺陷結構等在內的眾多性質。此外，Materials Studio圖形操作界面操作簡便，環境友好，非常適于相關教學實踐和科學研究。本人在自己正講授半導體物理學的課堂里為他們加入了Materials Studio的相關應用。下述將扼要介紹該軟件在課堂教學中的使用實例。

（二）實踐教學過程

能帶結構是半導體物理中非常重要的概念，與之相關的知識則貫穿后續章節。對能帶理論和布里淵區的理解需要量子力學和固體物理相關知識的支持，這存在一定的難度。為此在這一環節最好讓學生自己計算一個晶體結構的能帶。通過將模型導入界面并運行則可得到對應的能帶結構。結合最近研究熱點材料，MoS2為例，如圖1的所示的能帶圖，從其中可以計算出MoS2的禁帶寬度及導帶和價帶特征。此外，通過改變晶格常數或進行摻雜處理后，其能帶圖有又相應的變化，這使得學生能夠直觀地學習其中的關聯。在學習過程中更可以加深了對晶體結構、布里淵區等知識點的理解，為后續深入學習打好基礎。

異質結是半導體物理中另一個重要的概念，其是不同半導體接觸所形成的界面區域。可分為同型異質結P-n或p-N結等。異質結可以充分利用兩種半導體各自的優良的特性，適于制作超高速開關器件、太陽能電池等。圖2所示為一種常見的異質結結構，這種模型的建立是實時的，教師可以隨時對學生進行指導和幫助，能在最大程度上激起學生的好奇心，調動他們的積極性，使學生主動去學習掌握知識，進一步加深對能帶的理解。進而提升授課質量，提高學習效率，達成教學目標。

實踐環節的加入能夠明顯提高學生的學習積極性，能夠進一步啟發他們思考改變半導體材料各性質的方法及相關理論。通過基于Materials Studio的實踐教學，可以明顯改善半導體物理學的教學效果。此外，還可以在驗證性實驗的基礎上開展研究性實踐。比如：對半導體材料進行摻雜方面的研究，或者對晶體結構進行微調改變、引入缺陷等，讓學有余力的學生更深入地學習半導體研究涉及到的問題，激發他們的創新思維和開拓精神。

三、結束語

本文介紹了專業計算軟件Materials Studio在教學實踐方面的應用，結果顯示通過這種方式可以初步解決了半導體物理課程晦澀難懂的問題，彌補我院實踐性教學環節的缺失。激發學生的學習興趣。半導體物理是一門緊貼前沿科學、緊跟時代發展的課程，只有合理交叉利用各種傳統多媒體和專業軟件，才能易于被學生接受，收到事半功倍的效果。與學生交流與教學形式應不拘一格，要積極將相關專業軟件的應用納入到課堂之中，以期培養高素質創新型人才。最后，進一步探索半導體物理教學的新模式，仍需廣大教育工作者不斷進行積極的研究和探索。

參考文獻：

[1]孫連亮，李樹深，張榮，等.半導體物理研究新進展[J].半導體學報，2003（10）：1115-1119.

[2][美]尼曼.半導體物理與器件（第三版）[M].趙毅強，等，譯.北京：電子工業出版社，2010.

[3]徐振邦.《半導體器件物理》課程改革探索與實踐[J].教育教學論壇，2014，4：222-224.

[4]王印月，趙猛.改革半導體課程教學融入研究性學習思想[J].高等理科教育，2003（1）：71-73.

[5]張銘，王如志，汪浩，等.基于研究性學習的半導體物理課程教學改革[J].科教文匯（上旬刊），2011（7）：47-48.

[6]張健.淺析獨立學院“半導體物理”的有效教學[J].科教文匯（下旬刊），2009（10）：208.

[7]王聰，唐玲，楊艦.“半導體器件物理”課程的高職教育現狀及教學改革探究[J].高教學刊，2017（15）：174-176.