“半導體物理與器件”教學改革探索

陳顯平 陶璐琪

[摘 要] “半導體物理與器件”作為微電子技術專業的基礎課程，具有知識點多、授課時間短等特點。在教學過程中精簡內容，強調對基本概念、基本思想和基本理論方法的理解與掌握，引入Materials Studio和Silvaco TCAD模擬計算軟件，引導學生探索不同半導體材料的性質和不同器件結構的性能，并用實驗測量相關器件的電學特性，理論、模擬仿真和實驗相結合，培養學生的學習興趣、創新能力和探索精神，提高學生的科研能力與素質。

[關鍵詞] 半導體物理;教學改革;探索

[基金項目] 2019年度重慶大學“基于STEM教育理念的‘半導體物理跨學科課程教學改革研究與實踐”（2019Y21）;2019年度重慶大學光電工程學院“基于科研項目導向與興趣驅動的光電工程本科生創新實踐能力培養研究”（2019J01）

[作者簡介] 陳顯平（1979—），男，重慶墊江人，博士，重慶市能源互聯網及智能裝備協同創新中心執行主任，正高，主要從事先進傳感器與感知技術;功率半導體器件設計、封裝及可靠性;新型電子材料及器件研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）08-0047-04? ? [收稿日期] 2020-10-23

隨著5G技術商用進程的加快，半導體產業將迎來新的變革與發展。人才作為半導體產業的核心要素之一，對我國半導體產業長久發展至關重要，而“半導體物理與器件”作為半導體技術的基礎課程，其教學效果與質量顯得尤為重要。同時半導體技術與知識不斷快速更新，對人才的要求越來越高，傳統的教學方式難以適應人才要求，加快相關教學改革勢在必行。

一、“半導體物理與器件”課程教學現狀與存在的問題

（一）教學內容多且抽象，合適的自學教材少

“半導體物理與器件”作為微電子技術專業的基礎課程，包含了固體物理、量子力學、半導體材料物理和半導體器件物理等相關知識。其本科教學內容主要分為兩部分：一是半導體材料屬性，主要討論固體晶體結構、量子力學、固體量子理論、平衡半導體、運輸現象、半導體中的非平衡過剩載流子等內容;二是半導體器件基礎，主要討論PN結、PN結二極管、金屬半導體和半導體異質結、金屬-氧化物-半導體場效應晶體管、雙極晶體管等內容[1]。該課程內容具有較高的深度和廣度，要求學生具有良好的相關物理理論知識基礎和扎實的數學能力。在授課過程中，面對各種物理概念和相關模型復雜的推導過程，學生在學習中常常感到課程內容抽象雜亂，抓不住重點，隨著課程的進行，學生的學習興趣與動力快速下滑?？晒┻x擇的相關教材要么大量涉及固體物理、量子物理和煩瑣的數學推導，要么內容太多太雜，很難分清主次，難以引起學生自學的興趣。

（二）教學方式枯燥單一，不能吸引學生學習興趣

目前“半導體物理與器件”課程教學仍然采用教師講解、學生聽課、課后復習的模式，講授方式主要以板書和多媒體技術（如PPT）相結合。本課程內容多且較難，而且學時少，為了按時完成指定教學內容，教師不得不在單次課中講解大量知識點，從而時常出現教師激情講解、PPT課件不停翻頁、黑板上公式一個覆蓋一個，而聽課學生卻是面無表情不知所云的現象。這種枯燥單一的教學模式不僅使學生感到枯燥乏味，消磨學習熱情與興趣，導致對課程知識點的理解不充分，相關思想不能把握，而且同樣會影響授課教師的積極性。雖然教師花費大量時間備課、做PPT課件，規劃知識講解路徑，但課上卻得不到學生們的積極反應，教學效果并不理想。

（三）注重理論教學，缺乏實踐與理論的結合，學生解決問題的能力差

“半導體物理與器件”課程采用的講解方式通常只限于書本內容，而學生的學習也只限于老師講解的部分，課外擴展少。書中有很多結論是通過數學公式來表示，整體抽象難以理解，而為了通過考試拿到所需的學分，部分學生采取死記硬背的方式來應付考核。由于缺乏理論與實踐的結合，導致學生動手能力差。將實驗仿真和科研等方式加入教學過程中，不僅可以加深學生對相關知識點的理解，喚起學生的學習興趣，提高自學能力，還可以培養學生的探索精神和創新能力，豐富課堂內容。

（四）考核及評價方式單一

在以往傳統教學中，教師是評定學生成績的唯一主體，這種評價方式較為片面，具有一定局限性。傳統的“一考定全局”的方式普遍應用在對學生成績的評價之中，然而這種評價方式具有一定的偶然性，并不能完全反映出學生對所學知識整體的掌握程度以實踐創新能力。傳統的考核方式僅僅能反映出學生應對考試的能力以及對書本內容的掌握程度，不能很好地反映出學生對書本內容以外知識的掌握程度以及自主創新實踐能力。

二、“半導體物理與器件”課程教學改革探索

（一）精簡內容，突出基本知識點，整合優化教學內容和教學大綱

面對教學內容多、難度大的問題，在講授過程中應突出并加強學生對基本概念、基本思想、基本理論方法的理解與掌握，精簡內容，厘清知識結構，強調理論與實踐的結合，培養學習興趣和自學能力。數學知識的應用在相關理論方法（如PN結小型號模型的建立）講授中必不可少，教師可以講解推導思路并鼓勵學生自己推導，培養學生的數學應用能力。同時根據學生的專業背景，整合優化教學內容并制定相應教學大綱。“半導體物理與器件”是面向大多數理工科專業開設的基礎課程， 其所研究的半導體材料物理知識和半導體器件物理是電子、電氣等領域的理論基礎，并且與材料科學與工程、自動化、機械工程、生物工程、計算機科學等領域交叉滲透[2]，這就要求不同專業背景的學生要了解與掌握半導體物理與器件的相關知識。而傳統教材大多只是針對微電子技術專業編寫，過多涉及現代物理知識。所以編寫出讓更多不同專業背景廣泛接受的教材很重要。

在“半導體物理與器件”的教學中，教師應該轉變傳統的教學理念。將“教師灌輸式講授，學生被動接受”的傳統教學方式轉變成以學生為主體，教師為引導者的新型教學方式，將科學、技術、工程以及數學等諸多學科融入“半導體物理與器件”教學中，著力培養學生養成跨學科學習的思維習慣，將被動式教學方式轉變成自主探究的教學方式。將學生分為若干小組，在課堂上提出問題，小組圍繞前沿科學問題展開開放式討論，由此激發學生求知欲。例如，以光電、電氣、微電子等多學科為背景，提出怎樣測試半導體材料禁帶寬度，怎樣制備各種半導體器件等問題，然后進一步引導學生交流討論。這種教學方式以課堂提出問題—學生課后查閱資料—分組討論—學生課堂講解—教師點評為主線，旨在提高師生參與學習熱情，培養學生樹立創新意識，培育具有創新能力的復合型人才。

（二）引入模擬軟件與實驗教學，理論與實踐結合，培養學生自學與探索創新能力

“半導體物理與器件”課程包括半導體材料和半導體器件兩大內容，可以用材料模擬計算軟件和器件模擬計算軟件來仿真，如Materials Studio和Silvaco TCAD，將模擬仿真軟件和實驗教學加入課堂，引導學生利用工具主動探索未知的知識和領域，鍛煉學生動手能力，提升學生的科學素養。

1.半導體材料物理性質模擬。Materials Studio是ACCELRYS公司專門為材料科學領域研究者所設計的一款可運行在PC上的模擬軟件，可以解決當今化學、材料工業中的一系列重要問題。Materials Studio支持Windows98、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺，使化學及材料科學的研究者能更方便地建立三維分子模型，深入分析有機晶體、無機晶體、無定形材料以及聚合物。Materials Studio有多個功能計算工具，對于本課程的學習來說，只需要用到CASTEP就可以了。CASTEP是先進的量子力學程序，廣泛應用于陶瓷、半導體、金屬等多種材料，可研究晶體材料的性質（半導體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構的性質、表面化學、電子結構（能帶及態密度）、晶體的光學性質、點缺陷性質、擴展缺陷（晶粒間界、位錯）、體系的三維電荷密度及波函數等。[3]通過CASTEP演示計算常見硅、鍺等半導體材料的能帶結構等特性及相關缺陷摻雜對其性質的影響，引導學生探索其他半導體材料（如寬禁帶半導材料體碳化硅、氮化鎵、超寬禁帶半導體材料氧化鎵、氧化鋁等）的相關性質，加深學生對費米能級、導帶價帶等能帶理論的理解，同時培養學生的科研探索能力。

2.半導體器件性質模擬。為了讓學生深入理解半導體器件的相關性能，可以增加TCAD（計算機仿真模擬技術）軟件仿真教學內容。Silvaco TCAD是由Silvaco International開發的包含器件仿真（ATLAS）、工藝仿真（ATHENA）等功能的半導體仿真軟件[4]。Silvaco TCAD具有語法簡單易學、圖形界面易操作、例程豐富可直接調用等特點，非常適合初學者學習應用。通過ATLAS可以仿真研究器件的器件參數（如摻雜濃度、器件尺寸等）變化對電壓電流的影響，獲取直流、交流和瞬態情況下器件的電學參數（如電場分布、電流分布、溫度分布等）。隨著第三代半導體器件（如SiC MOSFET、GaN HEMT）逐漸商業化，傳統的硅基半導體器件迎來了新的成員，通過ATLAS建立相關器件結構、劃分網格、添加模型與參數、設置求解內容，可以讓學生比較不同半導體材料器件的性能差異，激發其求知欲與探索科學的動力。

3.器件實驗教學。仿真只是一種手段，是對理論的重現和各種模型之間的相互驗證，在準確的仿真基礎和工藝邏輯上，可以準確預測不同結構和工藝效果，設計和優化器件。而實驗是檢驗和驗證仿真結果必不可少的一步。通過設置測量碳化硅二極管、MOSFET、GaN HEMT等器件的傳輸特性、輸出特性、擊穿特性等電學性能的實驗，利用測量的數據和器件仿真模擬的結果進行比較研究，能夠加深對模擬仿真手段的理解和書本相關知識的應用。由于仿真模擬和實驗都會產生大量的數據，在教學過程中應介紹一些常用的數據處理軟件，讓學生選擇一個簡單易學易上手的軟件用于數據處理，例如常用的ORIGIN軟件。

通過上述模擬仿真和實驗，讓學生初步掌握半導體材料與器件的探索工具和器件特性的測量方法和基本測量電路，熟悉一款數據處理軟件，加深對半導體知識的理解，進一步開拓學生的思維，激發學生的自學能力和主動探索求知的精神。

（三）優化考核方式

通過優化教學考核方式，鼓勵和引導學生的自發學習與科學探索精神，使教學評價更加注重學生個人的科學素養、實踐能力和創新精神。為了考查學生對半導體物理與器件的相關基本概念、基本思想、基本理論方法的理解與掌握程度，可以通過期末考試的形式考核，以此加深學生對相關概念理論的理解。半導體材料與器件的仿真與實驗教學，讓學生自由組成三個人左右的一個小組，三個人相互學習討論Materials Studio、Silvaco TCAD的使用，設計出實驗方案并與其他成員交流，通過PPT或報告的形式進行考核。仿真與實驗教學的目標是加強學生對相關知識概念的理解，鼓勵學生探索創新，并設置創新獎勵分數。

學生創新實踐能力的培養，不僅需要從培養方案、教學方式、評價方法等方面做出相應的改變，更需要培養學生樹立創新意識，掌握科研實踐能力。課上進行半導體物理相關課題的匯報展示活動，根據匯報表現予以相應的獎勵;課下開展半導體物理項目相關的專題講座、現場參觀、網絡宣傳等活動，鼓勵學生參與并提交活動報告，根據報告內容予以相應的評價。這些方式旨在讓學生接觸并了解半導體物理領域的科研項目，意識到創新能力對個人發展的重要性，盡早樹立創新理念，培養實踐能力，奠定創新基礎。

實行形成性評價與終結性評價相結合的全程評價方式，在不同階段對學生進行考核。如在結束“半導體物理”每章教學內容后，舉行一次小測驗，測驗形式可以是考試，也可以是相關課題匯報、分組討論等形式。平時測驗成績與期末成績按照一定比例納入學生最終成績。這種方式可以減少偶然性，相對公平地對學生成績做出評價，也可以激勵學生認真學習平時每一節課、每一章內容，避免“臨時抱佛腳”式的考前突擊。

從學院層面出發，首先，應建立長期激勵制度，面向學生提供專項獎學金。獎學金評定標準參照學生科研成果以及參與科研活動的熱情度來確定，從精神、物質兩個方面鼓勵學生參與科研活動。其次，除了對學生的考核，學院應該對教師的教學能力進行相應的評價考核。學生創新實踐能力的培養不僅需要學生的主動配合，也需要教師積極的引導。完善教師考核、績效評定體系，引導教師參與對本科生的科研指導工作。通過學生、教師、學院三方面的協調、配合，大大提升學生創新實踐能力。

三、結束語

以培養學生的學習興趣、創新能力和探索精神，提升學生的自學能力，提高學生的綜合科學素養為基本目標，通過半導體物理與器件的基本教學知識講解和實踐探索，開展多元化教學，讓學生深入理解掌握半導體物理的基本理論知識，并利用相關工具（模擬仿真軟件）去探索研究該領域熱點問題，鞏固基本知識和技能，培育并提高科研能力與素養。

參考文獻

[1]唐納德，A.尼曼.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，2011.

[2]尹康，周前能，張麗，馮世娟，戚飛，張文霞.微電子專業半導體物理課程教學改革初探[J].教育現代化，2018，5（45）：50-52.

[3]吳健.Materials Studio在結構化學教學中的一些應用[J].高校實驗室工作研究，2007，93（3）：47-48.

[4]楊征.半導體工藝流程和器件的輔助設計與仿真軟件[J].電子與電腦，2004（2）：173-176.