微電子科學與工程專業“半導體物理”課程教學的改革與探索

葉小娟

(1.南京郵電大學 電子與光學工程學院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學 微電子學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

半導體科學是一門發展迅猛的應用性學科，主要集中在兩個方面的研究：一是半導體材料和器件的基本性能和內在機理；二是半導體的工藝技術和應用?！鞍雽w物理”是半導體專業最基礎、最重要的課程之一，主要介紹半導體材料和器件中的重要物理現象，闡述半導體器件工作的基本物理原理、各種性質和基礎理論等。半導體產業在綜合國力的較量中占有非常重要的位置，關系到國民經濟整體效益和國家安全，因此國家大力發展半導體產業，以期在此關鍵領域爭得主動權。

“半導體物理”作為微電子專業的重要課程之一，對于相關學科的發展以及學生專業素質培養非常重要，然而由于這門課程內容抽象、教學模式單一，學生在課堂上參與度不高，導致教學效果往往不太理想[1-3]。因此，筆者結合近幾年的教學過程，總結發現的問題，進行一系列的教學方法改進：在教學過程中，引入當今半導體領域的研究現狀以及科學前沿問題，調動學生的學習熱情；在講授過程中，適當拋出問題，讓學生課下調研，提高課堂教學效率；將理論、實踐、創新融為一體，構建符合現代工程教育的“半導體物理”教學，提高學生解決實際工程問題的能力。

1 半導體物理教學現狀

南京郵電大學“半導體物理”課程采用的教材是劉恩科等主編的《半導體物理學》(第七版，電子工業出版社)，該教材是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，電子科學與技術類專業精品教材[4]。結合近年來筆者對教材的研究以及教學實踐過程的觀察，對該教材的特點以及教學過程中尚存在的問題總結如下。

1.1 教材知識點繁多，學生的學習積極性不高

理論課程涉及的知識面非常廣，基本概念很多，理論推導繁雜，科學內容深奧，應用性極強。對先修的高等數學、固體物理與量子力學有一定的要求。尤其第一、二章涉及了一部分固體物理的概念、基本理論，第三章涉及量子力學及高等數學的相關知識。學生對先修知識的掌握欠佳，深度不足，導致對“半導體物理”開篇的銜接有些吃力，影響學生的學習熱情[5]。

1.2 課程以理論講授為主，學生分析和解決問題的能力欠缺

隨著半導體行業的迅速發展，半導體物理出現了很多新的理論和研究成果，知識體系更新較快，交叉學科更加廣泛。目前“半導體物理”的教學主要以理論講授為主，講解半導體物理的基本概念與理論，缺乏理論聯系實際的解決問題能力的培養。以科學研究引導學生自主研習，開拓學生的視野，讓學生深入了解半導體物理發展的前沿，提升學生運用半導體物理基本原理進行半導體器件的性能設計的能力，是目前“半導體物理”教學的發展方向[6-7]。

2 教學改革初探

針對教學中的相關問題，筆者為了調動學生的學習積極性，采取了一些教學思路的調整。首先，在授課過程中，引入目前半導體材料研究的熱點，結合相關科研軟件，比如Material Studio，展示如何進行新型半導體材料的預測以及相關性能的調控。其次，充分發揮學生的主體性，在課程講授之前提出幾個相關本節課程內容的問題，讓學生在課下進行調研，提高課堂上的學習效率。再次，定期安排知識拓展課，講授方式以學生為主導，鍛煉學生不僅要做到學會了知識，還能運用自己的思路語言講清楚相關知識，實現知識的輸入與輸出，檢測學生的學習成果，鼓勵學生進行舉一反三練習，加強學生運用所學理論知識解決實際工程問題的能力。該方法得到了大多數學生的積極參與，并得到了學校教學督導組專家的肯定與好評。

2.1 引入科研熱點引導學生的學習動力

“半導體物理”是一門結合“半導體物理”以及量子力學兩門專業基礎知識的課程，系統研究半導體材料及相關器件結構中的載流子分布以及運動?！鞍雽w物理”主要講授的半導體材料：Si、Ge、石墨等單元素半導體；GaAs等III-V族化合物半導體；ZnO等II-VI族化合物半導體。重點為IV族單元素以及III-V族半導體。然而隨著半導體領域的飛速發展，電子器件的微型化，對低維的新型半導體的需求日益增加。國內外科研工作者采用一定手段預測各種新型半導體材料，并嘗試用各種實驗手段獲得新型低維半導體材料，比如機械剝離法可以成功獲取二維石墨烯材料。首先，筆者擬引入相關科研研究現狀，拋出當今急需解決的問題，結合“半導體物理”相關知識，讓學生帶著需求去學習基礎知識，有助于幫助學生運用所學知識去解決實際問題。其次，在課堂教學中引入理論研究的材料計算軟件Material Studio，通過該軟件的導入，學生可以親自實踐在半導體中引入雜質之后的能帶結構，通過分析能帶結構，了解雜質能級的位置，分析半導體的導電能力等等。

例如，通過MS軟件可以獲得ZnO的晶體結構(見圖1)，通過計算得出能帶結構。我們可以嘗試采用V族元素N對晶胞中的O進行替換，再次進行結構優化，計算能帶結構。在ZnO中引入N元素替代O元素，相當于是受主摻雜，導致體系內的電子濃度降低，進而影響能帶結構，影響半導體的相關導電行為。從能帶結構上可以看到，N摻雜的ZnO由于N的引入，產生了一定的磁性，并且能帶結構中，靠近價帶頂的位置，可以分辨出雜質能級的出現，即受主雜質的雜質能級處于接近價帶頂的位置，起到接受電子的作用。通過模擬的過程，使學生對半導體的調控加深了認識，并掌握了一定的研究手段。N摻雜的ZnO結構(除標記的O和N之外的原子為Zn)如圖2所示，ZnO能帶結構如圖3所示，N摻雜的ZnO的能帶結構如圖4所示。

圖1 ZnO晶體結構

圖2 N摻雜的ZnO結構(除標記的O和N之外的原子為Zn)

圖3 ZnO能帶結構

圖4 N摻雜的ZnO的能帶結構

2.2 課題研究法調動學生的主動性

在講述第二章的時候，涉及半導體中引入不同的雜質，調整半導體的導電類型以及導電能力。在課程講述之前，向學生提出問題，如何實現半導體導電類型的轉變和導電能力的調節，以及半導體中引入缺陷會發生什么結果。

在課下，學生需要分組來完成相關問題的解答，并利用科研軟件MS 進行簡單半導體導電能力及導電類型的計算，通過分析能帶結構，電子結構等信息，總結初探問題的思路。在課程開始講授時，分組匯報研究結果，再進行匯總式講解第二章的知識要點。以學生調研為主導，課上講解為輔，增加學生對知識的理解以及掌握，并熟悉一些科研手段。

2.3 反轉課堂，以學生為主導進行知識拓展課講授

為了檢查學生的學習結果，針對每章節的課后作業，定期設置課后拓展課程，目的是檢查學習效果，鍛煉學生運用知識解決問題的能力。筆者在幾年的“半導體物理”教學過程中，采取學生主導的拓展課程，讓學生對章節知識進行梳理，總結歸納，并由不同同學對課后習題以及課上練習進行講授，鍛煉學生把所學知識能夠準確輸出，提高用理論解決實際問題的能力，大大調動了學生的學習積極性。

3 結語

“半導體物理”由于課程內容的理論性極強，對于先修課程的要求較高，學習起來難度較大，使部分同學產生了畏難情緒，學習興趣不足。為了調動學生的學習興趣，提高課堂學習效果，筆者引入科研熱點介紹，利用課題研究法、反轉課堂等手段，大大消除了學生的畏學情緒，課上積極參與教學活動，學習效果有很大的提升，增強了學生利用所學理論知識分析解決實際問題的能力。