淺談《半導體物理與器件》課程的教學改革

張芳 任大慶 張納

摘要：《半導體物理與器件》是半導體科學的理論基礎。在教學過程中引入科研動態、CASTEP模擬計算、實驗教學及微信公眾號。通過CASTEP模擬計算半導體材料的能帶結構、態密度和摻雜，3D結構可視直觀，使學生更加深刻的理解半導體中的抽象概念。將理論付諸于實踐，提高學生的動手能力，培養學生創新思維和實際解決問題的能力。

關鍵詞：半導體物理與器件；CASTEP模擬；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0133-02

一、引言

微電子集成電路（IC）作為半導體科學的應用分支是20世紀人類科技史最偉大的發明之一。以IC為代表的半導體產業作為信息產業的基礎和核心，是國民經濟和社會發展的戰略性產業，在推動經濟發展、社會進步、提高人民生活水平以及保障國家安全等方面發揮著日益重要的作用。

《半導體物理與器件》課程是半導體科學的理論基礎，也是當今發展迅速IC技術的基礎，闡述半導體物理特性和相關器件[1]。課程涵蓋知識內容繁多，物理概念抽象，公式推導眾多，有一定的深度和難度，是理論性和實踐性并重的課程。該課程是光電信息科學與工程專業和應用物理專業的一門非常重要的核心必修專業課，具有較強的理論性、實踐性、前沿性和科研性。《半導體物理與器件》的教學效果與學生的知識結構和就業以及未來發展的方向緊密相關[1]。因此，開展《半導體物理與器件》的教學改革，為企業培養應用型和創新型人才，具有重要意義[2]。

二、半導體物理與器件教學中面臨的問題

目前，在該課程的教學過程中，主要存在以下問題。

1.總學時較少，學生基礎知識水平參差不齊。《半導體物理與器件》涵蓋了量子力學、固體物理、半導體材料物理以及半導體器件物理等內容，主要介紹晶格結構、固體量子理論初步、平衡態半導體、非平衡態半導體、載流子輸運現象、同質p-n結、金屬半導體接觸、異質結以及MOSFET等幾種核心半導體器件[3]。教材涉及的知識面廣，內容多，學時少；在較少的課時中很難將內容全面展開講授。同時學生的先修課程《高等數學》《固體物理》以及《量子力學》基礎知識水平參差不齊，學生在學習掌握本門課程時，表現出較大的不均衡性。

2.課程內容抽象，教學方式缺乏吸引力。在傳統的《半導體物理與器件》教學中，理論計算、公式推導和分析處于主導地位。教學過程中涉及的公式推導較多，物理概念較為抽象，同時教師主要采取傳統講解的教學方式。這類單一的教學方式很難讓學生理解透徹，學生在進一步深入學習時倍感吃力，使學生缺乏自主學習的動力。

3.學生只注重半導體物理理論知識的學習，動手能力差，不能將理論與實踐相結合。對于半導體物理與器件這門課程，學生進行相關實驗操作或日常實踐的機會很少，難以培養學生的動手能力，使理論與實踐相背離。

三、半導體物理與器件的教學改進方法

1.追蹤科研和學科研究動態，補充教學內容。在授課過程中主動引導學生的思路，培養學生的科研興趣。根據學科的發展方向，不斷更新課程內容，引入半導體的發展歷史以及發展方向，完善學生的系統認知，從而提高學生的學習動力。充分利用學生的課余時間，布置幾個與半導體前沿相關的題目，如半導體加工工藝近況調研、新型半導體器件應用情況分析、典型半導體發展歷史等。讓學生選擇一個感興趣的知識點，在圖書館或網絡中自行查閱科研動態和參考文獻，并在課堂中分享知識內容，增添課堂的活躍氣氛。

2.形象化演示，引入CASTEP模擬軟件。Matetiral studio（MS）由美國Accelrys公司于2000年推出，是分子模擬軟件屆的領導者。CASTEP即為MS軟件的一個功能計算軟件包。通過第一性原理，CASTEP可以模擬計算半導體、陶瓷、金屬和礦石等晶體，研究一個系統的表面化學、結構特性、能帶結構、態密度、光學特性、點缺陷（如空位、間隙或替位摻雜）。將CASTEP引入《半導體物理與器件》課程的教學過程中，比如，自己搭建金剛石結構的元素半導體硅和閃鋅礦結構的化合物半導體砷化鎵，計算其能帶結構、態密度等特性，在課堂上將模擬過程和結果直接演示，不但更形象，還能使學生更加深刻的理解半導體的結構、費米能級、價帶、導帶、直接帶隙半導體、間接帶隙半導體等抽象的概念。此外，講解非本征半導體特性，公式繁雜枯燥，不易于學生理解，如果在公式推導的基礎上，加上相應的CASTEP模擬計算，使學生更加深刻地理解摻雜對半導體導電特性的影響。在半導體中，存在兩種類型的摻雜：間隙式和替位式。只有摻入雜質為替位式，這樣才可以改變半導體的導電特性。以本征半導體硅為例，引入三族元素硼作為受主雜質，隨著受主雜質濃度的不斷增加，CASTEP模擬計算其能帶結構和態密度的變化，分析發現費米能級逐漸向價帶靠近；引入五族元素磷作為施主雜質，隨著施主雜質濃度的不斷增加，分析CASTEP模擬計算的能帶結構圖，發現費米能級逐漸向導帶靠近。因此，采用CASTEP模擬軟件計算難以理解的半導體抽象概念，加深理解半導體特性，使學生對半導體知識的掌握更加牢固、更加靈活，活學活用。

3.注重實驗教學，培養學生動手能力和創新能力。利用物理科學與技術學院大學物理實驗室和專業實驗室的優勢，有針對性的安排學生進行相關半導體實驗。通過將現有的大學物理實驗和專業實驗（如非線性元件伏安特性測量、LED特性實驗、太陽能電池的特性測量等）融入到對應的課程章節教學中，讓學生明確實驗所對應的半導體理論知識（開啟電壓、開路電壓、短路電流、死區、整流特性、伏安特性、光伏效應、pn結、單向導電性、線性元件、非線性元件、普通二極管、穩壓二極管、發光二極管等），進而到實驗中去檢驗半導體相關知識的掌握情況。通過這些實驗，學生掌握半導體特性的測量方法和基本測量電路，熟悉繪圖軟件origin和實驗數據的處理方法（外延法、線性擬合等），加深對半導體的發光原理、光伏特性和非對稱整流特性的理解，進一步開拓學生的思維，更加感性地理解半導體的相關知識。

4.課程微信公眾號建設。隨著網絡技術的不斷發展，智能終端設備與大學生的生活息息相關。建設《半導體物理與器件》課程微信公眾號，設置基礎知識、半導體理論模擬計算、物理實驗、科研就業四個版塊。采用動畫、視頻、模擬計算、物理實驗等形象演示半導體物理與器件的理論知識，實現教學資源數字化，課堂教學與網絡教學相結合。教學內容不斷豐富，學生可以機動地利用課余時間學習半導體知識，不再局限于課時限制，逐步培養學生學習《半導體物理與器件》課程的興趣，使學生更容易理解，提高教學質量。

四、結束語

以提高學生應用素質與綜合創新能力為基本目標，立足于半導體物理與器件的教學過程，開展多元化教學，讓學生了解研究熱點和學科發展方向，全面地掌握半導體物理的基本理論知識和基本技能，提高學生的應用能力，初步培養學生的工程素質。

參考文獻：

[1]高清運.“半導體器件物理”課程教學研究與探索[J].電氣電子教學學報，2014，36，（6）：20-21.

[2]肖丙剛，王秀敏，趙吉祥.半導體器件物理課程教學實踐探索[J].科技信息，2009，（30）：14.

[3][美]Donald A.Neamen，著.半導體物理與器件[M].趙毅強，姚素英，史再峰，等，譯.北京：電子工業出版社，2018.