半導體器件物理課程的基本理論創新與教學實踐

揣雅惠 白昱 岳丹 母一寧 劉春陽

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?半導體器件物理作為電子科學與技術學科中的基礎專業課程之一，該課程教學質量的高低直接影響高等院校電子科學與技術專業人才培養的質量。所以，教師在開展教育教學活動時，應該以地方性本科院校人才培養目標為依據，深入分析該學科教學實踐中存在的問題，并以此為基礎制定具有針對性的教學策略，才能在調動學生學習熱情，幫助學生加深對半導體器件物理知識理解和認識的基礎上，促進學生工程實踐能力與創新精神的全面提升。主要就半導體器件物理課程的基本理論創新與教學實踐進行了分析探討。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?電子科學與技術;半導體器件物理;教學改革

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2021）06-0148-02

半導體器件物理課程既是半導體科學的理論基礎，更是當今迅速發展的IC芯片的關鍵。由于該課程中針對半導體物理特性與相關器件的闡述涉及的內容繁多，物理概念抽象，而且需要推導的公式很多，所以是一門集理論性與實踐性相結合的專業化課程。該課程作為高校電子科學與技術、光電信息科學、工程專業以及應用物理專業的核心必修專業課程，不但具有突出的理論性、實踐性、前沿性和科研性特點，而且其教學效果對學生知識結構的形成、就業以及未來發展有著決定性的影響。所以，各個高校必須緊跟時代發展的腳步積極推動半導體器件物理教學模式的改革與創新，才能培養出符合企業發展需求的應用型與創新型人才。

一、半導體器件物理課程教學現狀

（一）課程難度較大

半導體器件物理長期以來都是教師難教、學生難學的課程。由于該課程包括大量的理論闡述與推導內容，要求學生必須具備良好的數學、物理、量子力學等專業基礎知識，才能確保該課程教學活動的順利開展。但是由于受到學生基礎薄弱等因素的影響，教師在教學過程中發現，對于一些簡單的數學知識學生也無法完全掌握，因此也在一定程度上增加了教師的難度，導致基礎能力薄弱的學生無法跟上教師教學的節奏，制約了教學質量和效果的有效提升。

（二）教學模式單一

半導體器件物理采用以知識傳授為主的授課方法，不但涉及很多微觀物理結構與現象，而且因為知識點過于枯燥抽象，挫傷了學生學習的興趣，影響了學生創新能力培養的效果，增加了學生學習和理解知識的難度。所以，教師在開展教學活動時，應該根據課程教學內容的特點和要求，合理運用多媒體、視頻、實踐教學等手段豐富課堂教學的內容，然后開展分組課題討論、專題講座等方式，引導學生主動探索和學習知識。

（三）學生參與度低

由于受到半導體器件物理課程教學難度較大等原因的影響，很多學生在學習該課程時都出現了參與度普遍偏低的問題。針對這一問題，教師在開展課程教學活動時，要求學生不但要充分重視課堂教學開始前的知識預習工作，而且應在課堂教學結束后，根據教師講解的知識點，鞏固課堂教學的知識，然后采用隨堂測試的教學方法，檢驗學生重點知識掌握的情況，以便于教師及時進行教學內容的調整和優化。

二、半導體器件物理教學改革措施

（一）依據學生特征，優化大綱設計

由于半導體器件物理課程具有內容較難的特點，如果教師仍然采用傳統的理論教學、填鴨式灌輸抽象概念、死記硬背公式的教學方法，不僅無法調動學生學習該課程知識的積極性和主動性，還會導致學生產生嚴重的抵觸情緒，影響該課程教學質量和效果的提升。所以，高校教師應該根據本課程的特點以及學生學習的實際情況，從以下幾方面著手，積極進行教學模式的改革與創新。首先，為學生留出一定學時，要求學生了解晶體結構、周期性結構等知識，強化學生對半導體晶體結構的理解和認識，為學生后期學習物理與器件課程的知識奠定堅實的基礎。其次，教師必須在學生學習具體器件的知識時，摒棄教材中瑣碎且理解難度較大的知識點，將“器件結構→能帶結構→載流分布→載流子運動→電流電壓特性”作為教學活動開展的主線，引導學生學習課程教學中出現的雙極性晶體管、PN結、MOSFET、金屬半導體接觸等器件，按照從結構帶動理論的思路，幫助學生加深對器件特性的理解和認識。此外，教師在開展教學活動時，應該盡可能使用淺顯易懂的語言，降低學生理解和掌握知識的難度。

（二）優化整合課程教學內容

由于通常所使用的半導體器件物理的教材和它的先修課程半導體物理在內容上有所重疊，因此，針對這一情況，教師應該在積極優化和改進傳統授課方法的基礎上，認真進行教學內容的調整，并以此為基礎確定半導體器件物理課程的重點基礎知識。首先，半導體物理知識的重點主要集中在晶體結構、晶體中電子的運動、半導體導電機制、半導體導電類型、平衡半導體和非平衡半導體等方面，與半導體器件物理前部分內容聯系密切，需要確保半導體物理基礎知識與半導體器件物理的自然銜接。其次，詳細介紹半導體器件基本特征與特性。教師在課程教學過程中，介紹PN結、晶體管時，應該將PN結和晶體管結構與能帶、電流與電壓特性等內容作為知識講授的重點，才能在幫助學生加深對金屬半導體接觸情形等知識的理解和認識的前提下，為學生后期的學習和成長提供幫助。最后，根據實踐需求與學生工程能力培養的實際情況，制定半導體工藝基礎知識講授的策略，詳細向學生介紹半導體晶圓與芯片制造工業的步驟，組織學生討論如拉單晶、表面蝕刻、光刻技術等半導體工業的基礎知識，幫助學生在正式進入企業定崗實習前做好知識的儲備工作。通過對教學內容的深度優化，確保課程設置的科學性與合理性，并在進一步強化PN結、晶體管知識講授的基礎上，增加了與半導體工藝基礎相關的內容，實現了從教學內容上將半導體經典理論與工業發展緊密融合、課堂教學與工藝實踐相互融合、基礎知識學習與學生工程實踐能力培養相結合的一體化的固體與半導體物理課程教學體系，促進了學生工程實踐能力培養效果的有效提升。

（三）教材講義內容需要結合教學特色

由于半導體器件物理課程教學與普通的物理類或者電科類專業課程教學存在著很大的差異，所以很多高校在開展課程教學時，都出現了適用教材較少的情況。雖然半導體器件物理方面的教材內容非常詳實且分析得透徹入理，但是由于這些教材不但內容多，而且涉及的知識面較深，再加上教材中的數學計算、推導復雜程度較高，也在一定程度上增加了學生學習的難度。為了徹底解決這一問題，教師在選擇以半導體器件為主的教材時，應該根據學生學習的實際情況，編寫教學講義供學生參考和使用。在教學講義編寫的過程中，應該盡可能根據本校情況修改教材中的內容，重點向學生講授教學主線中涉及的開關特性、非均勻摻雜等知識點，充分發揮自編教學講義的特點，調動學生學習的積極性和主動性。

（四）培養實踐能力和創新精神

教師在開展半導體器件物理課程教學時，應該充分發揮理學院大學物理實驗室與專業實驗室的優勢，為學生設置具有針對性的半導體器件物理實驗內容。這就要求教師在開展教學活動時應該將專業實驗納入半導體器件物理課程教學中，例如二極管開關特性實驗、雙極型晶體管頻率響應、放大特性實驗和MOSFET開關實驗，也可以搭建集成電路器件以及工藝設計模擬平臺，使學生在理論理解以及實踐過程中充分發揮應用性與創造性思維，培養實踐應用與創新能力。要求學生在明確實驗對應的半導體理論知識的基礎上，在實踐實驗操作的過程中，檢驗自身對半導體器件物理知識的掌握情況。經過這樣的實驗過程，學生不但掌握了半導體器件的特性測量和基本電路測量的方法，熟悉了origin繪圖軟件與實驗數據處理的相關方法，而且加深了對半導體發光原理、光伏特性、非對稱整流特性等知識的理解和認識，拓展了學生的思維，為學生更加感性地掌握和理解與半導體器件物理相關的知識奠定了堅實的基礎。

（五）加強課程微信公眾號建設

網絡信息技術迅速發展的過程中，智能終端設備與大學生生活的聯系也越來越密切。作為高校來說，應該通過建設半導體器件物理課程微信公眾號的方式，設置與半導體器件物理基礎知識、半導體理論模擬計算、物理實驗、科研就業等相關教學內容的方式，充分發揮動畫、視頻、物理實驗等教學方法的優勢，將半導體器件物理相關的理論知識完整地呈現在學生的面前。隨著教學內容的不斷豐富，學生在學習過程中可以根據自身學習的實際情況，合理利用課余時間學習半導體的知識，沖破了時間和空間的限制，推動學生養成了良好的半導體器件物理課程學習習慣，促進了半導體物理課程教學質量的有效提升。

（六）采用多種考核方式

傳統的以教師為主導的半導體器件物理教學模式已經無法滿足新時期高校半導體器件物理課程教學的要求。為了調動學生學習的積極性和主動性，教師在開展教學活動時，必須以教學主線為核心，采取課本講授與專題相結合的教學方式，推動該課程教學活動的有序開展。在考核過程中加入應用創新能力的考核目標，實現對考核模式的改革。將學生考核具體分為三個節點：平時成績、實驗考核和期末考核。其中實驗考核環節，需結合本專業人才職業能力與素質需求，展開實驗完成質量、問題分析與解決能力、團隊協作能力以及知識掌握程度幾個維度的評價，得出學生的平時學習表現成績。避免因為學生學習評價手段和標準過于單一，影響半導體器件物理課程教學效果的提高。

三、結語

高校教師在開展半導體器件物理課程的教學時，必須緊跟時代發展的腳步，積極探索和研究該課程教學的策略和方法，才能適應新形勢對高校半導體器件物理課程教學提出的要求。此外，高校教師應該在深入分析半導體器件物理課程教學中存在的主要問題的基礎上，根據地方性院校應用型人才培養的目標，優化活動，完善特色教學內容，并以此為基礎加大半導體器件物理課程教學的實踐訓練力度，促進學生扎實掌握基礎知識、工程實踐能力與創新精神的全面提升，培養出符合社會發展需求的新能源人才。

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編輯 張 慧