“半導體器件物理”課程教學的思考與探索

游 龍

（華中科技大學集成電路學院&武漢脈沖強磁場中心 湖北 武漢 430074）

現代工業朝著智能化和小型化的方向發展，其中信號的感知、采集、處理與存儲都離不開集成電路芯片技術。芯片的性能直接決定著智能系統的性能和小型化的程度。在芯片領域，現階段我國迫切需要解決“卡脖子”的問題，主要體現在兩大方面：芯片制造和芯片設計。在芯片制造方面，怎樣制造出高性能的半導體器件是其中的關鍵問題之一；在芯片設計方面，集成電路設計時需要調用各種半導體器件的特性，因此對器件性能進行理解并表征也是其中的重要問題之一。上述兩個問題都涉及“半導體器件物理”課程的教學內容。因此，該門課程的教學，特別是課堂教學就顯得至關重要。

近年來，對“半導體器件物理”課程的教學，已有論文在教學內容、教學方法、人才培養和思政教育等諸多方面進行了非常有價值的分析與探索，并提出了教學改革思路和方法[1-4]。筆者結合多年來的教學和科研經驗，總結出“半導體器件物理”課程的教學方法和思路：一方面通過合適的教學技巧降低學生學習的難度；另一方面應該著重培養學生對半導體器件設計的創新能力，以及對器件性能的理解和表征能力。

本文對應上述教學方法和思路，提出四點淺見：第一，在講解過程中，盡量結合日常生活進行形象化講解，來降低學生的學習難度；第二，在講解半導體器件物理知識時，注重體現器件的改進和發明，以培養學生的創新能力；第三，在講解半導體器件時，注重器件特性的表征，以培養學生將器件應用于集成電路設計的能力；第四，在講解過程中，引入思政元素，注重對學生的人生觀和價值觀的引導。現具體分析如下。

1 形象化講解

在學習“半導體器件物理”課程的過程中，學生普遍反映許多知識點很抽象、難以理解，數學公式多且繁雜，因此課程難學。采用結合日常生活進行形象化講解的方法可以降低學生的學習難度。下面以講解自由電子濃度的計算和NPN 雙極型晶體管的工作原理為例來進行具體的闡述。

講解電子濃度時會涉及費米能級、狀態密度、費米-狄拉克分布這三個概念以及它們的運用。通常講解是這樣的：根據能帶理論，能帶可以分為導帶、禁帶和價帶，半導體中的費米能級處于能帶中的某一位置，電子在能帶中的分布服從費米-狄拉克分布，把費米-狄拉克分布和導帶中電子的狀態密度進行積分，求得電子濃度。形象化的講解如下：

①能帶理論。在半導體中，電子被共價鍵所束縛不能參與導電（對應于電子處于價帶），電子獲得能量掙脫共價鍵的束縛（對應于電子獲得大于禁帶寬度的能量后跨越禁帶），成為能夠導電的自由電子（對應于電子處于導帶）。

②費米能級。在日常生活中，我們可以確定某個物體的位置，而在電子的世界里，無法確定某個電子的位置，只能確定在某個位置發現電子的概率。在絕對零度時，低于費米能級，發現電子的概率為1，高于費米能級，發現電子的概率為0。并且這種概率與溫度有關，用費米-狄拉克函數表示。

③狀態密度。比如，上課后，如果要計算學生的數量（電子濃度），可以認為教室外（費米能級以上）發現學生的概率為0，教室內（費米能級以下）發現學生（電子）的概率為1，在教室內，并不是處處都有座位，過道上是沒有座位的，只有座位上才能坐學生，這種座位的密度就對應著學生（電子）的狀態密度。只有導帶才能容納自由電子，導帶里面座位的密度就是電子的狀態密度。因此，需要把費米-狄拉克函數與電子的狀態密度進行積分，才能得到自由電子的濃度。

講解NPN 雙極型晶體管的放大原理時會涉及發射結和極電結之間的偏置問題，只有當發射結正偏、極電結反偏時，晶體管才會工作在放大狀態。筆者講解通常是這樣的：在基極和發射極之間加正向電壓，電子由發射區流向基區，流至基區的電子中的一部分與基區的空穴復合形成基極電流，然后在集電極和基極之間加正向電壓，讓流至基區的電子中的另一部分被集電區收集，形成集電極電流，集電極電流比基極電流大很多，因此晶體管具有電流放大作用。可用“商場利用促銷作為噱頭吸引顧客到商場購物”來進行形象化的講解：

馬路（發射區）上有很多行人（自由電子），路邊有個商場，商場門口搭了一個小的促銷臺（基區）在做活動，行人被小促銷臺所吸引，到了商場門口。行人中的少部分駐足促銷臺前參加促銷活動（基極電流），大部分順著商場入口進入商場內部（集電區）購物（集電極電流），進入商場內部購物的人（集電極電流）比參加促銷活動的人（基極電流）多得多。

如上所述，用日常生活中能夠遇到的情形來解釋，可以把深奧難懂、晦澀抽象的“半導體器件物理”中的知識點講解得讓學生易于理解和接受。

2 采用體現改進和發明的思路

各種半導體器件的相同點體現在它們的工作原理都可以用能帶理論進行解釋。在對它們進行講解時，除了解釋工作原理之外，應該著重于講解它們的不同點，而這些不同的半導體器件相關的知識點看起來比較零散，可采用體現改進和發明的思路來進行講解。下面以講解晶體管的發展為例來進行具體的闡述。

現階段比較成熟的、在工業界得以應用的半導體器件都是前人發現、反復試驗并不斷改進之后，才得到認可和普遍應用的。因此，在講解的過程中，教師可以引導學生一起，體會發現和改進的樂趣。晶體管由雙極型晶體管，發展到場效應晶體管，是因為后者功耗更低、更易于集成。隨著集成電路發展過程中對低功耗和集成度要求的提高，傳統的平面型場效應晶體管發展到了鰭式場效應晶體管和圍柵晶體管。上述晶體管已經在業界得到了應用，它們發展的總體思路是增強柵控能力來提高晶體管的開關速度和改善關斷溝通電流的能力。為了進一步提高晶體管的開關速度，突破上述場效應晶體管亞閾值擺幅的限制，科研工作者又提出了基于隧道效應的隧穿型晶體管和負電容的鐵電晶體管，作為新一代晶體管的候選者。

如上所述，在講解過程中，對半導體器件的發展體現改進和發明，可以提高學生的學習興趣。除此之外，為了讓學生知曉國際上先進的半導體器件及其發展趨勢，可以布置專業外文文獻的閱讀，這樣有利于學生進一步從事相關的科研工作。

3 注重器件特性的表征

在應用上，半導體器件是集成電路與系統的基礎，是為其服務的。因此，在講解半導體器件物理知識時，不僅要在物理層面讓學生易于接受，而且對于器件的外部特性的表征也要加以強調。因為在集成電路設計過程中，需要調用對應的半導體器件特性，主要是電流電壓特性和電容電壓特性，還有器件的穩定性和噪聲特性等。例如，在講解場效應晶體管時，需要對其閾值電壓參數、遷移率參數和電容參數進行講解。在講解相應的公式之后，可以搭配畫一些相應的圖來表征晶體管的特性。圖形可以讓學生對晶體管的特性形成直觀的認識。還可以給學生布置一些簡單的集成電路SPICE仿真練習，讓學生了解晶體管的特性對電路性能的影響。這種結合集成電路設計的講解不僅可以提高學生的學習興趣，還可以提高學生的工程實踐能力。

4 引入思政元素，立德樹人

在課程的講解過程中，引入思政元素，適時介紹我國老一輩半導體科學家科技報國的事跡和家國情懷，弘揚他們的優秀品質，有利于幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀。每個人的命運都與國家和時代的命運緊密相連，回顧“中興”及“華為”事件，以及2022 年美國國會通過的《2022芯片和科學法案》，并分析現階段我國面臨的復雜國際形勢、在半導體器件和電路領域與國外的現實差距，及受到在這方面發展較早的國外的技術封鎖，喚起學生的愛國情懷和憂患意識，喚起新一代青年學生刻苦學習、扎實科研和奮發圖強，充分調動學生的學習自覺性，在自己的專業領域能跟蹤國際先進技術并能做到全球頂尖，為國家、為民族服務，為解決國家面臨的困境出力，做出自己的貢獻。因此，教師在課程的講解過程中，引入思政元素是非常有必要的。我國老一輩的半導體科學家，例如黃昆、謝希德在中華人民共和國成立初期，國家一窮二白的時候，毅然回國，投身祖國的半導體專業建設，為祖國培養了大批半導體人才。科學家的精神不僅能激發學生科技報國的理想，同時也進一步激勵了教師為國家培養人才的信念和決心。

5 結語

在“半導體器件物理”課程教學的過程中，教師可以運用日常生活中的對比來形象地解釋半導體器件的工作原理，以幫助學生對一些比較抽象和晦澀的基本概念進行理解。在教學過程中，教師應該側重于培養學生對半導體器件設計的創新意識，側重于培養學生對半導體器件特性的表征以及在集成電路中的工程應用理解能力。同時，在講課時，加入思政元素，適時介紹老一輩半導體科學家科技報國的事跡，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀。