半導(dǎo)體器件仿真大型實驗教學(xué)改革

李如春， 朱 華

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310014)

0 引 言

高等教育的主要任務(wù)是為知識、技術(shù)創(chuàng)新提供智力支持和人力資源保障。作為高等教育主體的本科教育，肩負(fù)著為社會培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的重任。實驗教學(xué)是本科教育的重要組成部分，是學(xué)生掌握理論知識、聯(lián)系實際應(yīng)用的重要手段。在實驗教學(xué)中，學(xué)生需完成操作機(jī)器、調(diào)試儀表、觀察現(xiàn)象、處理數(shù)據(jù)、撰寫報告等一系列教學(xué)任務(wù)，這些過程能有效訓(xùn)練學(xué)生的實際操作技能，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神[1-2]。

1 新工科背景下的實驗教學(xué)改革

2017年2月，教育部推出“新工科”計劃，啟動“新工科研究與實踐”項目[3-4]，指出新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的5個“新”，即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。“新工科”計劃的順利推進(jìn)，有賴于實施者對“新”的正確認(rèn)識。李培根[5]，論述了對“新工科”之“新”的理解，提出“新”的內(nèi)涵首先表現(xiàn)在面向未來的工程人才應(yīng)該具備 “新素養(yǎng)”，“新素養(yǎng)”涵蓋使命感和價值感、空間感、關(guān)聯(lián)力、想象力、宏思維、批判性思維等；同時指出“新工科”要落地在教材和教學(xué)方法的“新”上。

工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展是緊密聯(lián)系、相互支撐的，新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對傳統(tǒng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)，發(fā)展“新工科”是支撐新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人才需要。“新工科”計劃的5“新”，其目的是讓學(xué)生在更廣泛的專業(yè)交叉和融合中學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生快速學(xué)習(xí)新事物的能力，使其具備全球視野、領(lǐng)導(dǎo)能力、整合能力、實踐能力，成為具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。在上述能力培養(yǎng)中，實踐能力是至關(guān)重要的，是工程教育與行業(yè)企業(yè)緊密聯(lián)系的紐帶，而實驗教學(xué)作為實踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)，需要為卓越工程師教育培養(yǎng)計劃、CDIO(Conceive, Design, Implement, Operate)[6-7]等工程教育人才培養(yǎng)模式的進(jìn)一步深化打下堅實的基礎(chǔ)。因此，在新工科背景下，需進(jìn)一步整合實驗課堂的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，主要注重以下幾方面的創(chuàng)新改革：

(1) 構(gòu)建具有特色的創(chuàng)新型實驗教學(xué)體系，優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加綜合性、設(shè)計性、應(yīng)用型實驗項目，加深學(xué)生對專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生靈活運用理論知識解決實際問題的能力。

(2) 開放式組織實驗教學(xué)，鼓勵學(xué)生課外查找資料，尋求解決問題的方案，將課堂內(nèi)外有機(jī)結(jié)合，形成多課堂協(xié)同完成教學(xué)任務(wù)的實驗教學(xué)方法，培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實驗素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

(3) 建立積極有效的實驗考核體系，注重激發(fā)學(xué)生實驗興趣，提倡科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，將動手能力、綜合分析能力及創(chuàng)新能力作為主要考核內(nèi)容。

由于半導(dǎo)體器件和集成電路的實際生產(chǎn)設(shè)備昂貴，對場地、空氣凈化的等級要求高，使用維護(hù)成本也很高，無法從教學(xué)需求層面進(jìn)行建設(shè)，因此，絕大多數(shù)學(xué)校都是通過虛擬仿真實驗深化學(xué)生對半導(dǎo)體材料、集成電路工藝、器件原理和電路系統(tǒng)的認(rèn)知，同時完成一些真實實驗無法或難以開展的實驗環(huán)節(jié)，揭示集成電路特征與內(nèi)在規(guī)律，虛實結(jié)合、互補共促，半導(dǎo)體器件仿真大型實驗正是基于此需求開設(shè)的一門大型實驗，適用于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。通過實驗訓(xùn)練，使學(xué)生初步熟悉主要的微電子工藝技術(shù)，提升學(xué)生集成電路制造的工程實踐素質(zhì)，為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計和今后從事的相關(guān)半導(dǎo)體器件設(shè)計制作打下重要基礎(chǔ)。

2 半導(dǎo)體器件仿真大型實驗教學(xué)改革舉措

2.1 實驗內(nèi)容的整合設(shè)計

半導(dǎo)體器件仿真大型實驗旨在學(xué)習(xí)運用大型數(shù)值模擬軟件仿真半導(dǎo)體器件和集成電路的實際制造流程，以往在實驗內(nèi)容的選取上注重軟件的操作使用，綜合性的實驗內(nèi)容雖然涵蓋了多種器件類型，考慮了主要物理模型對器件特性影響的分析，但設(shè)計、研究性的內(nèi)容偏少，這在“新工科”背景下，對學(xué)生自主思考、積極探究的能力培養(yǎng)極為不利。為此，提出對實驗內(nèi)容進(jìn)行整合改進(jìn)，增加具有一定設(shè)計、研究要求的應(yīng)用型實驗，促進(jìn)實驗項目與科研、工程和社會應(yīng)用實踐有機(jī)結(jié)合。

根據(jù)培養(yǎng)計劃設(shè)定的40學(xué)時實驗教學(xué)要求，將實驗內(nèi)容分成3大部分，并合理分配學(xué)時，具體見圖1。

圖1 半導(dǎo)體器件仿真大型實驗內(nèi)容整合示意圖

(1) 軟件使用。大型實驗采用Silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真軟件作為操作平臺。Silvaco TCAD包括Athena和Atlas兩大模塊，其中Athena模塊用于半導(dǎo)體工藝模擬仿真，Atlas模塊用于半導(dǎo)體器件特性模擬仿真。

軟件使用操作學(xué)習(xí)共安排8學(xué)時，2學(xué)時教師通過授課方式介紹Silvaco TCAD的概況及相關(guān)的程序語法結(jié)構(gòu)[8-9]，Athena和Atlas兩大模塊的使用操作學(xué)習(xí)各安排3學(xué)時，選擇齊納二極管、肖特基二極管的工藝制作和特性分析作為實例進(jìn)行仿真。

(2) 綜合實驗。綜合實驗共安排16學(xué)時，在內(nèi)容選取上需涵蓋不同器件類型、物理模型、分析方法等，讓學(xué)生在全面了解軟件功能的同時，掌握理論知識在實踐上的正確應(yīng)用。

器件類型可以選擇最經(jīng)典的BJT(Bipolar Transistor)和MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，仿真模擬其工藝制作流程和基本的伏安特性、轉(zhuǎn)移特性等。

Silvaco中的數(shù)值計算是基于一系列物理模型及其方程的，在不同的場合需使用不同的物理模型，仿真精度和正確性與物理模型的選擇直接相關(guān)。在實驗內(nèi)容上安排不同物理模型對仿真結(jié)果的對比分析，可以加深學(xué)生對半導(dǎo)體器件理論模型的理解和認(rèn)識。具體內(nèi)容的選擇包括：能量平衡模型、漂移擴(kuò)散模型、深能級陷阱等對器件特性的影響。

對于半導(dǎo)體器件而言，端口的電學(xué)特性是評價器件性能好壞的主要技術(shù)指標(biāo)，包括直流特性、交流特性、瞬態(tài)特性和一些高級特性。在實驗內(nèi)容安排上，以MESFET器件為對象，學(xué)習(xí)如何進(jìn)行器件直流、交流、瞬態(tài)特性等的仿真。

(3) 研究實驗。研究實驗安排16學(xué)時，可以從新材料、新結(jié)構(gòu)、新特性3個方面進(jìn)行考慮，內(nèi)容選取上及時融入當(dāng)前研究熱點[10]。

在新材料方面，可以選取第3代半導(dǎo)體材料，比如寬禁帶的SiC、GaN等[11]，一方面讓學(xué)生了解新材料的特性和其對器件性能的影響，另一方面學(xué)習(xí)仿真軟件中如何定義新材料的特性。在新結(jié)構(gòu)方面，可以選擇VDMOS、IGBT等功率器件[12]，學(xué)生由此可以了解將常規(guī)的BJT和MOSFET進(jìn)行組合或結(jié)構(gòu)改進(jìn)，能夠形成實際應(yīng)用非常廣泛的大功率器件，同時可以學(xué)習(xí)如何利用軟件定義器件的新結(jié)構(gòu)。在特性方面，可以選擇光電探測器、太陽能電池等光電器件[13-14]，學(xué)生在了解光電器件工作原理的同時，學(xué)習(xí)仿真軟件如何定義關(guān)照、如何測量光電流等；更進(jìn)一步，可以通過查找資料，探索研究如何改進(jìn)光電器件的材料、結(jié)構(gòu)等，從而優(yōu)化器件的性能，使學(xué)生的創(chuàng)新思維、科研能力得到鍛煉。

2.2 教學(xué)模式的改進(jìn)

在實驗教學(xué)的組織方式上，可以采用多課堂協(xié)同的開放式教學(xué)模式[15]。對于操作和綜合性實驗內(nèi)容，采用常規(guī)的課堂集中訓(xùn)練，教師在實驗過程中及時指導(dǎo)和解答學(xué)生的問題；對于研究和設(shè)計性實驗，教師在課內(nèi)布置相關(guān)的設(shè)計要求、技術(shù)指標(biāo)等，要求學(xué)生課外查找文獻(xiàn)，進(jìn)行相關(guān)的研究和設(shè)計，課內(nèi)進(jìn)行操作和實施，并討論解決過程中碰到的問題。這種開放式的教學(xué)模式，充分將課內(nèi)與課外相結(jié)合，多課堂協(xié)同，方便研究、設(shè)計性實驗的開展。在這種實驗過程中，教師是學(xué)習(xí)活動的組織者、指導(dǎo)者和促進(jìn)者，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動的主體，可以實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極探究的能力和創(chuàng)新意識，加強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和溝通能力。

2.3 考核體系的優(yōu)化

實驗內(nèi)容整合和教學(xué)模式改革需要相應(yīng)的考核體系支撐，才能合理評價學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。實驗改革的評價體系，應(yīng)該能客觀評價學(xué)生的實驗過程和效果，需要根據(jù)實驗的內(nèi)容，安排其在總成績構(gòu)成中的相應(yīng)權(quán)值，具體指標(biāo)如表1所示。

表1 實驗改革的考核評價體系

表1中，評價體系涵蓋實驗內(nèi)容的各個部分，采用等級制，對學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行A、B、C、D 4個等級的劃分。對于研究性的實驗內(nèi)容，分配了30%的權(quán)重，能夠充分區(qū)分優(yōu)秀學(xué)生和普通學(xué)生的學(xué)習(xí)成果差異。相比于傳統(tǒng)的成績評價體系，所提出的評價方法對過程學(xué)習(xí)的評價內(nèi)容更具體，涉及面更廣，更能公正有效地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié) 語

實驗教學(xué)的創(chuàng)新改革是高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的一個重要保障，在“新工科”背景下對半導(dǎo)體器件仿真大型實驗的內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行改革，順應(yīng)了新形勢的需要。依據(jù)該教改方案，在2014級電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生中進(jìn)行了實踐，取得的成效主要體現(xiàn)在學(xué)生的能動性提高、思維活躍，同時能客觀公正地評價每個學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，總體效果良好。