《半導(dǎo)體器件物理》課程改革探索與實踐

徐振邦

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 無錫 214153）

《半導(dǎo)體器件物理》課程改革探索與實踐

徐振邦

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 無錫 214153）

《半導(dǎo)體器件物理》是高職院校微電子專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是集成電路設(shè)計和制造的理論基礎(chǔ)。筆者在教學(xué)實踐中通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，推進(jìn)理實一體化教學(xué)模式，改進(jìn)教學(xué)方法，對該課程的教學(xué)進(jìn)行了一些改革與探索，有益于提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。

半導(dǎo)體器件物理；教學(xué)改革；探索與實踐

一、引言

隨著全球信息化進(jìn)程的加快，微電子產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展，作為向社會輸送技能型人才的高職院校，培養(yǎng)微電子專業(yè)學(xué)生具備一定理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實踐創(chuàng)新能力顯得尤為重要。《半導(dǎo)體器件物理》是高職院校微電子專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授的是半導(dǎo)體特性、PN結(jié)原理以及雙極型晶體管和MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、電學(xué)特性等內(nèi)容，該課程教學(xué)的目的是讓學(xué)生掌握微電子學(xué)專業(yè)所用的基本器件知識，為學(xué)習(xí)集成電路工藝和設(shè)計打下理論基礎(chǔ)。

二、目前課程面臨的問題

1.學(xué)生的知識基礎(chǔ)的不足。要系統(tǒng)而深入地學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體器件物理》課程，一般要求具備量子力學(xué)、固體物理及統(tǒng)計物理等前導(dǎo)課程的基礎(chǔ)知識。高職院校的學(xué)生，雖然是高中起點，但其中有很多文科畢業(yè)生，物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，缺乏現(xiàn)代物理學(xué)方面的基本概念和相關(guān)理論知識，面對《半導(dǎo)體器件物理》課程的學(xué)習(xí)，知識上難以順利銜接。

2.缺乏適合高職學(xué)生的教材。高職院校的微電子專業(yè)通常起步較晚，目前適合高職教育的《半導(dǎo)體器件物理》教材很少，比較成熟的幾乎全部都是本科教材，其基礎(chǔ)知識起點較高、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁雜，內(nèi)容覆蓋太廣，不能適應(yīng)高職學(xué)生的需求[1]。

3.教學(xué)模式的限制。《半導(dǎo)體器件物理》這門課理論性很強(qiáng)，通常把它定位于純理論課程，在教學(xué)模式上通常以板書為手段，以講授為主。其實，這門課是一門理論性和實踐性并重的專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生在掌握知識的同時學(xué)會科學(xué)的思維方法、具備開放的研究能力。但是傳統(tǒng)的教學(xué)模式對這些能力的培養(yǎng)是一個束縛。

4.教學(xué)資源的匱乏。在教學(xué)過程中為提高教學(xué)效率、增強(qiáng)學(xué)生興趣，強(qiáng)調(diào)充分應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)和手段。但本課程缺乏直觀生動、富有動態(tài)變化，切實反映物理過程的輔助用PPT，另外，網(wǎng)絡(luò)資源很少，學(xué)生無法通過現(xiàn)代信息技術(shù)手段來實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。

三、課程教學(xué)改革探索與實踐

1.編寫適合高職學(xué)生的教材。基于高職學(xué)生的特點和培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才的目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上應(yīng)以必須、夠用為度，突出基礎(chǔ)性、實踐性。例如在半導(dǎo)體材料特性這一部分，我們注意和高中物理的銜接，刪去K空間、布里淵區(qū)等過于艱深內(nèi)容，增加了原子物理的基本概念，順利引出能帶論。在講雙極和MOS器件時，我們將半導(dǎo)體器件版圖的內(nèi)容滲透到教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生形成基本概念，有利于和《半導(dǎo)體集成電路》、《集成電路版圖設(shè)計》等課程的銜接；同時引入半導(dǎo)體器件工藝流程，為學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體制造工藝》打下基礎(chǔ)，課程的實踐性也得以體現(xiàn)。另外，教學(xué)過程中的數(shù)學(xué)推導(dǎo)盡可能簡潔或者略去，注重通過圖例闡述物理過程，避免學(xué)生的畏難情緒。

圖1 課程內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)圖

本課程的內(nèi)容按照知識內(nèi)在的邏輯關(guān)系，可以分為三個模塊。集成電路的設(shè)計與制造是圍繞著半導(dǎo)體材料特性展開的，是微電子專業(yè)課程的基礎(chǔ)；PN結(jié)原理是雙極型晶體管的基礎(chǔ)、半導(dǎo)體表面特性是MOS型晶體管的基礎(chǔ)；我們把這三塊內(nèi)容確定為基礎(chǔ)模塊。常規(guī)的半導(dǎo)體器件不是雙極性型的就是MOS型的，集成電路的基本單元也就是這兩種類型的晶體管，這是后續(xù)課程學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，也是崗位職業(yè)能力的基礎(chǔ)。我們把這兩塊內(nèi)容定為核心模塊。功率器件、太陽能電池、LED屬于新興的產(chǎn)品，對他們的結(jié)構(gòu)原理的介紹也是有必要的，歸為拓展模塊。教學(xué)過程中要夯實基礎(chǔ)（模塊），突出核心（模塊），介紹拓展（模塊）。以期打好后續(xù)課程的基礎(chǔ)，全面培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力。基于上述教學(xué)內(nèi)容選擇及組織形式，在多年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，我們編寫了一本文字淺顯易懂、圖例直觀明了、論述明白流暢、數(shù)學(xué)表達(dá)簡潔、理論聯(lián)系實際、內(nèi)容夠用即可的校本教材。通過試用學(xué)生反映較好，為教學(xué)工作帶來極大的便利。目前，教材《半導(dǎo)體器件物理》[2]已由機(jī)械工業(yè)出版社正式出版。

圖2 實測PN結(jié)正向特性曲線

圖3 理想PN正向特性曲線

2.推進(jìn)理實一體化教學(xué)改革。以前，教師通常將這門課當(dāng)成一門理論課來上，以教師講課為主，實行的是填鴨式的灌輸教育，大部分學(xué)生對這種教學(xué)模式不感興趣。筆者以為，《半導(dǎo)體器件物理》這門課是理論性和實踐性并重的一

門課程。在教學(xué)改革中我們將半導(dǎo)體實驗嵌入其中，作為理實一體化項目。把原來的驗證性實驗改變?yōu)樘骄啃詫嶒灒寣W(xué)生通過實驗現(xiàn)象自行分析研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出的結(jié)論，從而提高學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)感性認(rèn)識，最終達(dá)到切實掌握知識的目標(biāo)。

以PN結(jié)的正向特性——肖克萊方程為例，肖克萊方程的引入是個難點，完整的推導(dǎo)至少需要一個課時，作為高職院的學(xué)生來說，能聽懂的是少數(shù)。現(xiàn)在我們講完正向?qū)ǖ奈锢磉^程之后，運(yùn)用半導(dǎo)體管特性圖示儀測量出PN的正向特性曲線（如圖2），然后直接引入肖克萊方程：

我們根據(jù)實測曲線給出理想曲線（如圖3）并進(jìn)行對照，通過對比發(fā)現(xiàn)差異，然后介紹閾值電壓及其產(chǎn)生機(jī)理。這樣既避開了煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，又使得閾值電壓的概念能夠牢固的掌握。

目前課程運(yùn)用的理實一體化項目有14個，如表1所示，占約占總課時的30%。

表1 半導(dǎo)體器件物理理實一體化項目

3.采用多元化教學(xué)方法。為了幫助克服學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體器件物理”課程理論性較強(qiáng)和抽象難懂的困難，我們在實際的教學(xué)過程中，多采用啟發(fā)式和討論式教學(xué)，將理論學(xué)習(xí)和實踐練有機(jī)結(jié)合起來，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維和參與意識。在課堂教學(xué)中，采用啟發(fā)式教學(xué)，注重師生互動，改變以往的灌輸教育，使學(xué)生真正參與進(jìn)來，加強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的主動性，提高教學(xué)效率。采用討論式教學(xué)可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中由被動變?yōu)橹鲃印Ｔ谡n堂上教師提出一些問題，讓學(xué)生自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)尋找解決的辦法。然后就該問題組織學(xué)生展開討論。例如MOS管柵電極兩邊出現(xiàn)電場峰值，會降低擊穿電壓，應(yīng)當(dāng)怎么改善?在討論過程中教師總結(jié)和點評時，要指出為什么對，為什么錯[3]。在教學(xué)過程中，課程組設(shè)計完成一套多媒體課件，注重反映重要的概念與公式以突出基本概念和基本計算，展示器件等圖例，既方便說明問題，又可以減少板書時間，將更多的時間留給學(xué)生交流討論。PPT中還表現(xiàn)了物理現(xiàn)象的變化過程，將抽象理論知識動起來，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了學(xué)生對理論知識的深刻理解。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件仿真結(jié)果圖

4.將版圖設(shè)計軟件引入教學(xué)。Cadence virtuoso是一款功能強(qiáng)大的版圖設(shè)計軟件，運(yùn)用cadence配套的specture仿真工具，也可以對半導(dǎo)體器件進(jìn)行仿真分析，在這方面cadence軟件也有不俗的表現(xiàn)。下面采用該軟件對mos特性曲線在不同器件參數(shù)下進(jìn)行量化分析。

圖5 改變平面結(jié)構(gòu)后的仿真結(jié)果圖

圖1 是標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件的特性曲線仿真結(jié)果，寬長比為1μm∶1μm；改變其寬長比為1μm∶10μm，特性曲線仿真結(jié)果如圖2。通過對比讓學(xué)生理解半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變將造成電學(xué)特性的變化，掌握如何合理選擇參數(shù)的方法。在教學(xué)過程中利用版圖設(shè)計軟件來進(jìn)行仿真，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識，有助于學(xué)生的對理論知識的理解。同時讓學(xué)生初步接觸專業(yè)軟件，為后續(xù)的《集成電路版圖設(shè)計技術(shù)》等課程打下基礎(chǔ)。

5.建立課程網(wǎng)站。目前，課程已建立了網(wǎng)站，將課程信息、教學(xué)內(nèi)容、多媒體課件、課外習(xí)題及答案等材料上網(wǎng)。課

程網(wǎng)站的設(shè)立共享了教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)方法，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

四、總結(jié)與展望

在《半導(dǎo)體器件物理》課程改革的探索實踐過程中，我們使用課程組編寫的適合高職學(xué)生的教材，推進(jìn)理實一體化的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用啟發(fā)、討論等教學(xué)方法、制作直觀、動態(tài)的PPT輔助教學(xué)，收到了良好的教學(xué)效果，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的畏難情緒明顯減少，主動性得到了顯著提升，和往屆相比，學(xué)習(xí)成績獲得一定的提高，后續(xù)課程的老師反映學(xué)生對基本概念的掌握更為扎實，教學(xué)改革獲得了初步成效。

目前已建立了《半導(dǎo)體器件物理》課程網(wǎng)站，但是缺乏互動。下一步的設(shè)想是：利用學(xué)校的Kingosoft高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，創(chuàng)建了《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)網(wǎng)站，開展網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)。要設(shè)立多媒體課件、課程錄像、網(wǎng)絡(luò)資源、交流論壇、課程信息、課外習(xí)題、習(xí)題解答等欄目，積極拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，加強(qiáng)學(xué)生之間、教生之間的交流，以期方便不同理論基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步調(diào)動了學(xué)習(xí)的主觀能動性。

[1]陳國英《.半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》課程教學(xué)的思考[J].常州：常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，（6）.

[2]徐振邦.半導(dǎo)體器件物理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]李琦，趙秋明，段吉海“.半導(dǎo)體器件物理”的教學(xué)探討[J].南京：電子電氣教學(xué)學(xué)報，2011，（2）.

G712

A

1674-9324（2014）04-0222-03

本文系中國電子教育學(xué)會2011年教學(xué)研究課題項目（Cese2011-10）。

徐振邦（1975-），男，江蘇無錫人，副教授/高工，碩士，研究方向：控制理論與應(yīng)用、集成電路制造工藝。