固體與半導(dǎo)體物理教學(xué)改革及課程思政探討

俞健 陳濤 馬廣興 馬柱

[摘 要] 本文結(jié)合我校卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0建設(shè)項(xiàng)目，結(jié)合《新能源科學(xué)與工程》具備較強(qiáng)創(chuàng)新意識的高級工程技術(shù)人才的培養(yǎng)要求及專業(yè)特點(diǎn)，通過教學(xué)改革加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合育人及對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，為將來從事光伏材料與器件開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 固體與半導(dǎo)體物理;卓越工程師;產(chǎn)學(xué)研;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院“一流本科專業(yè)建設(shè)”項(xiàng)目（2019CLY-JG-009）

[作者簡介] 俞 健（1986—），男，浙江平湖人，博士，副研究員（通信作者），研究方向?yàn)樾滦凸怆姴牧吓c器件。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0289-02? ? ?[收稿日期] 2019-10-10

一、引言

《固體與半導(dǎo)體物理》是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的核心必修課程，主要講授內(nèi)容包括晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動與晶體的熱力學(xué)性質(zhì)、能帶理論，半導(dǎo)體的基本性質(zhì)、平衡態(tài)半導(dǎo)體的物理基礎(chǔ)、非平衡半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動規(guī)律、半導(dǎo)體PN結(jié)、金屬/半導(dǎo)體接觸與異質(zhì)結(jié)、半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)及霍爾效應(yīng)等。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握固體的基本結(jié)構(gòu)和固體宏觀性質(zhì)的微觀本質(zhì)，掌握半導(dǎo)體材料及PN結(jié)的導(dǎo)電特性，掌握光伏效應(yīng)的基本原理，為將來從事光伏材料與器件開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

教育部拓展實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（2.0版），旨在積極探索傳統(tǒng)工科專業(yè)的改造升級和符合新經(jīng)濟(jì)要求的新興工科專業(yè)，貫穿卓越拔尖人才培養(yǎng)理念，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研、校政企聯(lián)合育人，培養(yǎng)和造就創(chuàng)新思想活躍、動手實(shí)踐能力強(qiáng)的高級工程技術(shù)人才。

根據(jù)我校一流學(xué)科建設(shè)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案的文件精神，加快學(xué)校“雙一流”建設(shè)，建成一流本科人才培養(yǎng)體系，立足于加快我校工程教育教學(xué)改革，于2018年啟動了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0建設(shè)項(xiàng)目。結(jié)合我校的專業(yè)優(yōu)勢特點(diǎn)及與國內(nèi)光伏龍頭企業(yè)通威太陽能的校企合作，對課程內(nèi)容作必要的精簡和調(diào)整，強(qiáng)化了半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)的講授，并增加了半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)的部分內(nèi)容，構(gòu)建了理論知識講授-工藝技術(shù)探究-科研實(shí)踐訓(xùn)練-企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)四位一體的固體與半導(dǎo)體物理課程教學(xué)模式，突出對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)[1]。

二、固體與半導(dǎo)體物理教學(xué)現(xiàn)狀

1.課程難度較大。固體物理與半導(dǎo)體物理一直屬于“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的課程，新能源科學(xué)與工程專業(yè)將兩門課程合并為一門課程，更進(jìn)一步增加了課程的難度。課程對基礎(chǔ)知識的要求高，課程包含很多理論闡述和推導(dǎo)，本課程的構(gòu)架詳見圖1所示，需要學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)、物理和量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識。在實(shí)際的行課過程中也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的基礎(chǔ)薄弱，對于一些簡單的數(shù)學(xué)知識如歐拉公式尚不能完全掌握，無形中加大了教師授課的難度，容易造成部分學(xué)習(xí)能力較弱的同學(xué)后期跟不上授課節(jié)奏的現(xiàn)象。

2.教學(xué)模式單一。固體物理和半導(dǎo)體物理的授課仍以傳統(tǒng)的注重知識傳授為主[2]，且課程闡述的大部分涉及到微觀物理結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象，知識點(diǎn)較為枯燥抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主觀能動性容易被忽視，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，無形中也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)的難度。因此，在實(shí)際的教學(xué)工程中，結(jié)合作者豐富的微電子產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，采取多媒體、視頻、教學(xué)實(shí)踐等手段豐富課堂教學(xué)，設(shè)置課題進(jìn)行分組討論、專題講座，針對具體研究問題進(jìn)行探索性研究，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)的投入性不強(qiáng)。由于課程難度較大的原因，參與度普遍不高。本課程的學(xué)習(xí)，教師與學(xué)生、課內(nèi)與課外、預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)都是非常重要的，要求學(xué)生在上課前對該堂課的內(nèi)容有一個大概的了解，結(jié)合知識點(diǎn)和課后習(xí)題鞏固，提高課程的參與度。在實(shí)際授課過程中，采用隨堂測試的方法，實(shí)時掌握學(xué)生對重要知識點(diǎn)的掌握情況，做到有的放矢。

三、固體與半導(dǎo)體物理的教學(xué)改革措施

1.豐富課程教學(xué)，拓寬學(xué)生的國際化視野。新能源科學(xué)與工程作為一個新設(shè)立的專業(yè)，本專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)固體與半導(dǎo)體物理時，普遍對專業(yè)及所學(xué)課程的認(rèn)知不強(qiáng)，不清楚課程的重要性及對未來發(fā)展方向的迷茫。

針對這個問題，結(jié)合作者在光伏器件與微電子領(lǐng)域近十年的產(chǎn)業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，在每堂課增設(shè)了“國際熱點(diǎn)地圖”環(huán)節(jié)，即在每堂課利用5分鐘的時間，向?qū)W生介紹國際頂尖的研究機(jī)構(gòu)、行業(yè)研究熱點(diǎn)、行業(yè)top公司等內(nèi)容，先后介紹了德國于利息研究中心（JUELICH）、沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、銅銦鎵硒太陽能電池龍頭First Solar、晶硅太陽能電池龍頭通威股份等全球最新的研究進(jìn)展和資訊，讓立志出國深造、考研或就業(yè)的同學(xué)都有所倚重，加深了學(xué)生對課程的認(rèn)知及對行業(yè)的了解。該措施顯著提高了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，豐富了課程教學(xué)，獲得了良好的反饋。

2.優(yōu)化和整合課程教學(xué)內(nèi)容。固體與半導(dǎo)體物理課程沒有統(tǒng)一的授課教材，使用《固體物理學(xué)》和《半導(dǎo)體物理學(xué)》兩本教材，且課堂教學(xué)只安排64學(xué)時。除了在講課的方式方法上進(jìn)行一些改進(jìn)外，對內(nèi)容也做了必要的精簡和調(diào)整，確定了固體物理-半導(dǎo)體物理重點(diǎn)基礎(chǔ)知識、半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)、半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)為組成的三大核心授課內(nèi)容。

首先，固體物理基礎(chǔ)知識著重于晶體結(jié)構(gòu)、一維單/雙原子鏈、近自由電子近似、緊束縛近似、電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動等與半導(dǎo)體物理聯(lián)系較為緊密的內(nèi)容，自然銜接到半導(dǎo)體物理部分。半導(dǎo)體物理部分講授半導(dǎo)體的類型、半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散和漂移運(yùn)動。

其次，介紹半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)與特性介紹半導(dǎo)體表面、界面的物理性質(zhì);重點(diǎn)講授PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與能帶、電流-電壓特性;幫助學(xué)生理解金屬半導(dǎo)體接觸的情形，使其掌握歐姆接觸;增加了光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域熱點(diǎn)的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽電池的制備及器件應(yīng)用。最后，結(jié)合實(shí)踐需求和學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，設(shè)置了半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)的講授，介紹半導(dǎo)體晶圓及芯片制造工藝步驟，討論直拉單晶、擴(kuò)散制備發(fā)射極、表面蝕刻、光刻技術(shù)、摻雜技術(shù)等半導(dǎo)體行業(yè)基礎(chǔ)的工藝，幫助學(xué)生在進(jìn)入企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)前有一定的基礎(chǔ)知識儲備。

通過教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，合理安排課程設(shè)置;同時強(qiáng)化了以太陽能電池核心—PN結(jié)、金屬與半導(dǎo)體接觸的知識講授，并增加了半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)的相關(guān)內(nèi)容，在教學(xué)內(nèi)容上做到了半導(dǎo)體經(jīng)典理論與工業(yè)發(fā)展相結(jié)合、課堂教學(xué)與工藝實(shí)踐相結(jié)合、基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合，構(gòu)建了理論知識講授—工藝技術(shù)探究—科研實(shí)踐訓(xùn)練—企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)四位一體的固體與半導(dǎo)體物理課程教學(xué)模式，突出對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3.教學(xué)方法與手段的改進(jìn)。在基礎(chǔ)知識講授的基礎(chǔ)上，依托我校光伏系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺的條件，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式學(xué)習(xí)，將理論知識與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。以學(xué)習(xí)小組為單位，設(shè)置探索性研究課題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和解決實(shí)際工程問題的能力。通過與國內(nèi)光伏龍頭企業(yè)通威太陽能的校企合作，讓學(xué)生在課程理論學(xué)習(xí)結(jié)束后深入企業(yè)一線頂崗實(shí)習(xí)2周，實(shí)習(xí)內(nèi)容包括：晶硅太陽能電池的設(shè)計、制造、測試、封裝，半導(dǎo)體材料性能測試，如少數(shù)載流子壽命、霍爾遷移率、發(fā)射極方塊電阻、表面反射率等，全面培養(yǎng)學(xué)生將理論知識應(yīng)用到工程實(shí)踐能力。

四、結(jié)束語

固體與半導(dǎo)體物理是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和深造打下了理論基礎(chǔ)。在固體與半導(dǎo)體物理的教學(xué)過程中，應(yīng)積極探索多樣的教學(xué)手段，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與熱情，與時俱進(jìn)地引入當(dāng)前研究熱點(diǎn)和國際知名研究機(jī)構(gòu)的研究動向，結(jié)合卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0建設(shè)項(xiàng)目與工程實(shí)踐，加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握和理解，培養(yǎng)具備較強(qiáng)創(chuàng)新意識的高級工程技術(shù)人才。

參考文獻(xiàn)

[1]張俊舉，張益軍，高建坡，等.“半導(dǎo)體物理”課程教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2018（3）.

[2]胡云峰.半導(dǎo)體物理啟發(fā)式教學(xué)改革探討[J].科教導(dǎo)刊，2013（3）：122-124.