新能源材料與器件專業(yè)中“半導體物理與器件”課程教學

黃妞 孫盼盼 倪世兵 孫小華

摘 要 “半導體物理與器件”在以半導體材料為基礎的新型光電、能量存儲與轉(zhuǎn)換領域人才的知識結(jié)構(gòu)中具有重要基礎地位。本文從該課程在新能源材料與器件專業(yè)中的教學現(xiàn)狀出發(fā)，對該專業(yè)的“半導體物理與器件”教學內(nèi)容、方法、手段和考核形式做了些思考與實踐。

關鍵詞 半導體物理 半導體器件 課程教學

中圖分類號：G647 文獻標識碼：A

2010年，教育部批準全國15所高校設置“新能源材料與器件”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)。2011年三峽大學獲批建設第二批新能源材料與器件本科專業(yè)并于2012年招生。雖然多數(shù)開設該專業(yè)的學校都設置了“半導體物理與器件”作為專業(yè)核心課程，但如何建設促進該專業(yè)發(fā)展，促進新能源產(chǎn)業(yè)應用技術(shù)人才發(fā)展的課程，在該課程建設實踐中有許多值得研究和探討的問題。

結(jié)合“半導體物理與器件” 知識點多理論性強應用面廣，新能源材料與器件專業(yè)考研就業(yè)面分散，并結(jié)合三峽大學該專業(yè)軟件、實驗實踐平臺條件，淺談如何整合資源優(yōu)化教學內(nèi)容，豐富教學手段和考核形式，提高教學質(zhì)量。

1“半導體物理與器件”課程及教學現(xiàn)狀

我校新能源材料與器件的“半導體物理與器件”課程采用陳治明等《半導體物理學簡明教程》為教材。綜合教材特點與教學實踐情況，對該課程教學存在的問題歸納如下：

1.1教材知識點多理論性強，學生很難吃透知識點

教材內(nèi)容包括半導體物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶、載流子及其輸運、非平衡態(tài)、PN結(jié)、金-半接觸、異質(zhì)結(jié)和納米結(jié)構(gòu)、半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)、其它半導體效應。編者前言中提到“大體上，講完全書至少需要80學時。學時不足50的情況下可只講前3章或前4章，學時稍有富余則可依次后延”。我校新能源材料與器件專業(yè)該課程為40理論學時，學時不足學生很難掌握知識點。

課程涉及內(nèi)容廣、概念多且抽象，知識點關聯(lián)性強，物理模型推導復雜。一方面，學習該門課程所必需的量子力學初步和固體物理基礎內(nèi)容都為較難課程，許多同學存在知識結(jié)構(gòu)斷層。另一方面，該課程內(nèi)容編排上從本征半導體和摻雜半導體到N、P型半導體形成的PN結(jié)，再到各種半導體器件，采取層層推進的方式，要求學生扎實地掌握每一部分的核心內(nèi)容，如果沒消化吸收一些知識點很快就跟不上進度。

1.2實驗實踐平臺限制，學生很難理論聯(lián)系實踐

以硅、鍺、砷化鎵、碳化鎵為代表的半導體，它們的生產(chǎn)設備非常昂貴，普通高校不能負擔起搭建其生產(chǎn)檢測工藝線。此外，半導體材料與器件的應用越來越廣泛，實驗室設備很難做到同步更新。另外，比起龐大且龐雜的半導體材料特性測試、半導體器件的應用，該課程實驗課的學時也遠不夠開設與之協(xié)調(diào)的實驗項目。該課程是一門理論與應用相結(jié)合的課程，僅僅從課本上學習相關知識，難以理論聯(lián)系實際，學生學起理論知識來亦覺得枯燥、乏味。

2“半導體物理與器件”教學改革探索與實踐

如何結(jié)合半導體物理與器件的課程特點、新能源材料與器件人才培養(yǎng)目標和實驗實踐平臺，整合資源力爭在有限的學時和平臺給予學生最切實的幫助。2016-2018年，我校新能源專業(yè)與器件畢業(yè)生中約1/3繼續(xù)攻讀材料學方面的研究學位，約1/3于鋰離子電池方向就業(yè)，約1/3到LED、光伏、基礎工程建設部門工作，亦有少量同學從事非材料學科的工作。基于該專業(yè)就業(yè)去向?qū)挿海_立了以"加強基礎、重視應用、培養(yǎng)能力"為指導思想，以半導體材料和器件于新能源中的應用為導向，以改革理論、實驗教學、課程設計、課題研究與教學模式為抓手，逐步提升該課程的建設。

2.1分層次組織教學內(nèi)容

第一層次基礎知識鋪墊，在講授半導體物理與器件之前要進行固體物理學相關課程知識的鋪墊，還要增加量子力學的相關基礎知識，為學生構(gòu)建完整的知識框架，降低認知落差。

第二層次半導體物理與器件基本理論，包括熱平衡和非熱平衡半導體的基本性質(zhì)、半導體PN結(jié)、常見半導體材料與器件的工作原理和應用。然而，半導體器件品類繁多工作原理不盡相同，同時新材料、新器件、新原理層出不窮，且因課時的限制和專業(yè)不同定位，必然使得該層次的內(nèi)容有所刪減和突出。以我校新能源材料與器件為例，考慮到約1/3的學生畢業(yè)后去鋰電行業(yè)工作，這些行業(yè)需要掌握半導體材料方面的相關知識：能帶結(jié)構(gòu)、載流子濃度和電導率；亦有學生去LED、光伏、光電探測、激光半導體等領域，這些行業(yè)需要掌握半導體材料方面的相關知識：非平衡載流子及其壽命、半導體的光吸收；也需要掌握半導體器件方面的相關知識：PN結(jié)和金半接觸。考慮到幾乎沒有學生從事集成電路、電子芯片等領域的工作。我們在課時有限的情況下，沒有講授三極管、MIS、MOS和場效應晶體管的相應內(nèi)容，只講授了教材前5章的內(nèi)容，同時沒有講授強電場中的載流子輸運、電導統(tǒng)計理論、半導體的熱導率，卻增加了紫外可見分光光度計測半導體光吸收、LED的工作原理。

第三層次實驗和課程設計內(nèi)容建設，設置若干基礎實驗讓學生掌握半導體材料的基本特性，如：電阻率與溫度、摻雜與極性、能帶結(jié)構(gòu)與光吸收、額外載流子壽命等；掌握半導體器件核心——二極管電流——電壓曲線測試、三極管和場效應晶體管的放大效應測試，深化對半導體物理與器件理論知識的認知。若有條件可以開設太陽能電池、LED、集成電路等制備實驗。以我校半導體物理與器件課程為例， 8學時實驗課我們結(jié)合了自身實驗室的條件開設了紫外可見分光光度計測光學帶隙和光電導測少子壽命兩個實驗，分別促進學生對半導體能帶結(jié)構(gòu)和本征吸收、載流子與其壽命理論知識的掌握并培養(yǎng)學生的動手測試分析能力。與此同時，半導體物理與器件對應有2周的課程設計，在這兩周內(nèi)學生要完成如ZnO、ZnS、Bi3O4、TiO2、NiO、SnO2等中某種半導體相關生調(diào)研文獻、制備、物相形貌分析、光吸收和發(fā)光特性的測試和分析。此外，該專業(yè)開設了“光伏器件與檢測”這門課程，該課程包含了與光伏器件檢測相關的8個實驗；另外開設了材料制備與材料性能測試的綜合實驗，這些實驗中包含了一些薄膜制備實驗，例如熱蒸發(fā)和磁控濺射制備半導體器件中的接觸電極和減反射膜。然而由于平臺限制，我們無法讓學生體會半導體器件的制備——檢測的全過程，例如制備晶硅太陽能電池、氮化鎵LED二極管，實有遺憾。

第四層次為開展課題式實踐教育，鼓勵學生利用課余時間進入實驗室并作為畢業(yè)設計內(nèi)容提前開始，利用已學理論與實踐對行業(yè)熱點問題進行思考和探究，進一步培養(yǎng)實踐能力。教師對學生進行指導并對指導及相關信息備案，促進教學進一步深化。

2.2教學模式、方法和考核方式的不斷更新

（1）正確處理物理模型和數(shù)學分析的關系，不讓學生迷失在公式推導的海洋里，強調(diào)對物理結(jié)論的正確理解和應用。（2）利用現(xiàn)代化的教學設施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發(fā)式、探究式教學，調(diào)動學生積極主動性。（3）鼓勵課后網(wǎng)上學習，發(fā)揮線上線下相結(jié)合的教學模式，利用網(wǎng)絡交互系統(tǒng)管理，即時發(fā)現(xiàn)學生學習過程中遇到的問題并即時解答；（4）改善考核體制，將過程納入平時成績并加大其比重。然而，只有部分高校的少部分專業(yè)具備人力物力搭建——管理——維護“網(wǎng)絡交互系統(tǒng)”。以我們專業(yè)為例，網(wǎng)上交互學習平臺有限。因此我們：①建立學習小組（6-8人/組），每個章節(jié)講完后就對應重點內(nèi)容布置作業(yè)，組員間互改互評作業(yè)并納入平時成績，問題集中后老師重點講評，讓學們牢牢掌握重點內(nèi)容不掉隊；②對于與就業(yè)有關的內(nèi)容列出專題，例如：光伏電池、光電探測、LED和激光器，以小組為單位調(diào)研資料深化對專題的認識，并以PPT形式匯報，過程納入平時成績。

參考文獻

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