地方應(yīng)用型本科院校《半導(dǎo)體器件物理》課程教學(xué)探索

董可秀 嚴(yán)紅麗 周曉燁

摘 要：針對(duì)地方應(yīng)用型本科高校開(kāi)設(shè)《半導(dǎo)體器件物理》課程存在著不可忽視的局限性。結(jié)合多年的教學(xué)和管理經(jīng)驗(yàn)，該文從教材的選用、教學(xué)內(nèi)容的安排、教學(xué)課件的設(shè)計(jì)、以及將半導(dǎo)體工藝及器件仿真軟件silvaco引入課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方式，激發(fā)學(xué)生探索熱情，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題及自主學(xué)習(xí)的能力。同時(shí)，采用全天開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室及與企業(yè)生產(chǎn)一線緊密協(xié)作等多個(gè)渠道培養(yǎng)方式，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)、創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力。為學(xué)生將來(lái)就業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：課程 半導(dǎo)體器件 silvaco軟件 工程實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（a）-0157-04

Abstract：According to the limitation of setting up the semiconductor device physics course in local application oriented undergraduate universities，we stimulate the students'enthusiasm for exploration，improve the quality of classroom teaching， deepen the understanding of teaching content by the appropriate selection of teaching materials， courseware design， and the introduction of the semiconductor device simulation software into the classroom and experimental.In addition，we explore a lot of channels， such as Opening laboratory throughout the day and collaborating closely with front line of production，to cultivate engineering practice ability，professionalism，innovation ability and to establish the students'future employment.

Key Words：Course；Semiconductor devices；Silvaco software；Engineering practice

電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)是1998年教育部為適應(yīng)市場(chǎng)需要而確定的一個(gè)新專(zhuān)業(yè)，專(zhuān)業(yè)的設(shè)置很大程度上是為國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)的[1]。在當(dāng)今信息化的社會(huì)中， 集成電路已成為各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化、智能化的基礎(chǔ)，無(wú)論是在軍事還是民用上都發(fā)揮著巨大作用。隨著集成電路發(fā)展的小型化、微型化，對(duì)半導(dǎo)體元器件的尺寸和性能要求也逐漸提高。為適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才的需求，滁州學(xué)院擬定了電子信息專(zhuān)業(yè)和電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的不同發(fā)展方向，并在電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了電路設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體器件兩個(gè)方向，《半導(dǎo)體器件物理》則是兩個(gè)專(zhuān)業(yè)方向必選的重要專(zhuān)業(yè)方向課程。然而，對(duì)于由高等專(zhuān)科學(xué)校升格的地方應(yīng)用型本科高校來(lái)說(shuō)，開(kāi)設(shè)這門(mén)課程存在著不可忽視的困難。結(jié)合筆者多年的教學(xué)和管理經(jīng)驗(yàn)，文章首先闡述了地方應(yīng)用型本科院?！栋雽?dǎo)體器件物理》課程教學(xué)面臨的主要限制，然后給出了有針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，探索在條件有限情況下保證課程教學(xué)質(zhì)量的方法。

1 課程教學(xué)面臨的主要限制

1.1 人才培養(yǎng)目標(biāo)及學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)的限制

應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)是提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰凸こ虒?shí)踐能力，偏重理論的課程開(kāi)設(shè)的比例較小。目標(biāo)定位導(dǎo)致《半導(dǎo)體器件物理》這門(mén)課程的一些先修課程，如：量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等課程沒(méi)有開(kāi)設(shè)過(guò)，造成學(xué)生知識(shí)上難以銜接。另外，相對(duì)于重點(diǎn)院校和一般本科院校來(lái)說(shuō)，應(yīng)用型高校學(xué)生的物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱，對(duì)深?yuàn)W的理論知識(shí)的學(xué)習(xí)存在畏難和排斥心理。而《半導(dǎo)體器件物理》課程理論性強(qiáng)、物理概念抽象，物理公式多，學(xué)生學(xué)起來(lái)非常費(fèi)力，因?qū)W習(xí)困難而導(dǎo)致學(xué)生缺乏興趣。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量的限制

《半導(dǎo)體器件物理》是一門(mén)理論和實(shí)驗(yàn)并重的學(xué)科，該課程及后續(xù)開(kāi)設(shè)的半導(dǎo)體工藝課程所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資較大，利用率低，使得專(zhuān)業(yè)設(shè)備嚴(yán)重不足。如實(shí)驗(yàn)室晶體管特性圖示儀數(shù)量很少，只能做演示實(shí)驗(yàn)。分組實(shí)驗(yàn)時(shí)使用安捷倫電源表測(cè)量二極管的正向、反向電流-電壓特性。但此設(shè)備精度不高，很難測(cè)出低電壓情況下的反向電流值。

1.3 教材的限制

應(yīng)用型本科高校不同于重點(diǎn)本科院校，也不同于高職高專(zhuān)院校，人才培養(yǎng)的要求在該門(mén)課程的教材選取上具體表現(xiàn)為：不能選以理論分析為主的，也不能選理論知識(shí)過(guò)于精簡(jiǎn)、完全側(cè)重工藝和實(shí)踐的。目前的教材很少有適合這種要求的。

2 《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)內(nèi)容選取

大多數(shù)《半導(dǎo)體器件物理》教材內(nèi)容主要分為兩大部分：微電子器件及光電子器件，且微電子器件的材料多為第一代半導(dǎo)體材料Si。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，第二代半導(dǎo)體材料GaAs基和第三代半導(dǎo)體材料GaN基半導(dǎo)體功率器件逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。北京大學(xué)出版社出版的《半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》中由于新增了GaAS MESFET及GaN基高電子遷移率晶體管，被選為主要的教材[2]。但由于該教材重在數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，對(duì)器件工作原理的闡述及工作過(guò)程的分析很少。而國(guó)外優(yōu)秀教材《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》正好彌補(bǔ)了這個(gè)不足[3]，該教材對(duì)二極管、三極管、MoS管等微電子器件的工作原理及工作過(guò)程做了詳細(xì)的分析，更重要的是該教材循序漸進(jìn)地提供了大量的MATLAB編程分析器件性能的例題和習(xí)題。MATLAB編程的能力無(wú)論對(duì)學(xué)生以后從事科研還是從事設(shè)計(jì)性工作都有很大的幫助。因此，在實(shí)際教學(xué)中，課件安排的順序依照《半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》器件介紹的順序，公式和結(jié)論均出自于該書(shū)，講解時(shí)忽略復(fù)雜公式的推導(dǎo)過(guò)程，主要講述物理方程的求解思路，結(jié)合國(guó)外教材對(duì)公式和結(jié)論做詳細(xì)的分析和闡述，并在每次課件的最后給出一道MATLAB編程實(shí)例或布置一道課后編程練習(xí)題。

3 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

3.1 增加課件動(dòng)畫(huà)教學(xué)的比例

《半導(dǎo)體器件物理》的課件一般以文字配上靜態(tài)的圖片為主，雖然二維或三維的圖片對(duì)器件結(jié)構(gòu)和器件工作過(guò)程的理解有一定的幫助，但如果將更多的物理過(guò)程從靜態(tài)的圖片轉(zhuǎn)化成惟妙惟肖的動(dòng)畫(huà)形式表現(xiàn)出來(lái)，則可以使學(xué)生對(duì)微觀過(guò)程印象深刻，對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解也更加透徹。教學(xué)中如載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)及漂移運(yùn)動(dòng)，載流子的晶格散射、雜質(zhì)散射，載流子的復(fù)合過(guò)程，p-n結(jié)空間電荷區(qū)的形成過(guò)程，p-n結(jié)在正向電壓和反向電壓下載流子的擴(kuò)散方向，雙極型晶體管放大狀態(tài)下載流子的傳輸過(guò)程，GaN基高電子遷移率晶體管二維電子氣的產(chǎn)生，MOS管在不同偏壓下的表面態(tài)形成過(guò)程，發(fā)光二極管的輻射復(fù)合等均可制作成動(dòng)畫(huà)。同時(shí)在動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)上再配以形象的聲音，從視角、聽(tīng)覺(jué)等不同感官刺激學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，取得良好的教學(xué)效果。

3.2 將半導(dǎo)體器件仿真軟件silvaco運(yùn)用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)

將仿真軟件運(yùn)用于教學(xué)有助于教師的講解和學(xué)生對(duì)概念的理解。中國(guó)計(jì)量學(xué)院的唐瑩老師將版圖設(shè)計(jì)軟件L-EDIT引入半導(dǎo)體器件教學(xué)[4]，該軟件有利于學(xué)生對(duì)器件結(jié)構(gòu)和工藝的理解，對(duì)器件內(nèi)部的物理機(jī)制沒(méi)有涉及。河南大學(xué)的向兵老師首次開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體器件物理MABLAB仿真平臺(tái)[5]，并運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐。但是仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，開(kāi)發(fā)的數(shù)量有限且沒(méi)有工藝仿真項(xiàng)。

在教學(xué)中則采用Silvaco公司開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體工藝及器件仿真軟件。工藝仿真不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的離子注入、擴(kuò)散等工藝，還可以仿真目前較流行的光刻、外延等工藝。器件仿真涵蓋教材所涉及的各種元器件。每個(gè)仿真項(xiàng)目都有數(shù)十個(gè)實(shí)例，這些實(shí)例只要稍作改動(dòng)即可應(yīng)用于教學(xué)，節(jié)約了大量的編程時(shí)間。教師可利用節(jié)省的時(shí)間去編寫(xiě)與最新研究成果相關(guān)的新程序，便于該課教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。

另外，仿真實(shí)例中各參數(shù)的修改非常容易，運(yùn)行速度快。眾所同知：如果一個(gè)軟件運(yùn)行速度慢，參數(shù)修改復(fù)雜，教師一般不會(huì)經(jīng)常在課堂上實(shí)時(shí)仿真，因?yàn)檫@樣會(huì)影響教學(xué)進(jìn)度。通常會(huì)采用事先仿真好結(jié)果，并將仿真過(guò)程錄為動(dòng)畫(huà)在課堂播放，這樣雖然也可以激光學(xué)生的興趣，但不如與學(xué)生實(shí)時(shí)互動(dòng)的仿真更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深對(duì)物理過(guò)程的理解。如：教師在講授離子注入+擴(kuò)散工藝進(jìn)行半導(dǎo)體摻雜原理后，學(xué)生對(duì)雜質(zhì)濃度大小、分布、深度都沒(méi)有直觀感受，此時(shí)教師可以運(yùn)行事先編好的程序讓學(xué)生看到直觀的雜質(zhì)分布圖，進(jìn)而教師提出系列問(wèn)題，比如哪些因素可以影響摻雜，怎么影響的？由學(xué)生展開(kāi)討論提出構(gòu)想（如：擴(kuò)散時(shí)間，溫度、注入能量等），教師依據(jù)學(xué)生設(shè)想實(shí)時(shí)仿真，學(xué)生依據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)規(guī)律、得出結(jié)論（如圖1所示）。這種實(shí)時(shí)互動(dòng)的方式極大地提高了學(xué)生的注意力及探索的熱情。后續(xù)半導(dǎo)體各種元器件的物理機(jī)制、工作原理、結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)器件性能的影響均加入這種師生互動(dòng)模式教學(xué)。（見(jiàn)圖1）

將仿真軟件應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)：（1）可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件的不足，導(dǎo)致有些重要實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)出。（2）通過(guò)恰當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)，激發(fā)學(xué)生探索熱情，提高學(xué)生思維的深度與廣度。（3）拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。比如：在伏安法測(cè)二極管的特性曲線時(shí)，采用外接法很容易測(cè)出當(dāng)電壓增大到某個(gè)值以后二極管的正向電流。當(dāng)采用內(nèi)接法測(cè)二極管的反向電流時(shí)，學(xué)生均發(fā)現(xiàn)安捷倫電源表沒(méi)有示數(shù)，當(dāng)問(wèn)及為什么沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，學(xué)生的思維停留在直接反應(yīng)上：電路不通，或儀器壞了。根本想不起課本上的反向飽和電流這個(gè)概念。教師引導(dǎo)學(xué)生在自主排查電路連接問(wèn)題，管子好壞問(wèn)題，儀器依然沒(méi)有讀數(shù)情況下，此時(shí)讓學(xué)生打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室電腦，進(jìn)行反向電流-電壓特性的仿真實(shí)驗(yàn)（如圖2所示），學(xué)生通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，明白了儀器測(cè)量不出讀數(shù)，是因?yàn)榉聪螂娏鞯陀趦x器的測(cè)量精度，而不是電路問(wèn)題。從而使學(xué)生對(duì)反向電流的大小及產(chǎn)生的微觀物理機(jī)制有了更深的理解。在得出結(jié)論后，教師進(jìn)一步拓展仿真內(nèi)容，讓學(xué)生自主探索二極管的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)器件正向、反向電流的影響。仿真實(shí)驗(yàn)不僅在低實(shí)驗(yàn)成本的基礎(chǔ)上提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、還有利于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題及自主學(xué)習(xí)的能力。為學(xué)生將來(lái)進(jìn)一步深造和從事半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)行業(yè)奠定了一定的基礎(chǔ)。（見(jiàn)圖2）

3.3 多渠道開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)

在《半導(dǎo)體器件物理》的教學(xué)中，由于受學(xué)時(shí)所限，不可能對(duì)每一種器件都能做深入的探索。因此，將仿真實(shí)例及matlab編程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容保存于實(shí)驗(yàn)室電腦，并全天對(duì)學(xué)生開(kāi)放，將實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)生第二課堂活動(dòng)場(chǎng)所，學(xué)生可利用課余時(shí)間去實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，提高自己的理論水平和實(shí)踐技能。教師還利用學(xué)校提供的泛雅、畢博等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，將本課程的多媒體課件、軟件、仿真實(shí)例、與課件相適應(yīng)的習(xí)題及答案等上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可隨時(shí)利用這些資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)學(xué)生還可創(chuàng)造性地將原仿真原程序稍作修改，開(kāi)發(fā)出新的應(yīng)用程序，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及對(duì)將來(lái)從事設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。另外，為了突出應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，學(xué)校與企業(yè)建立了緊密的聯(lián)系，將該課程的一部分工藝實(shí)訓(xùn)內(nèi)容安排在長(zhǎng)電科技公司的生產(chǎn)第一線，讓學(xué)生理論聯(lián)系，進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)語(yǔ)

《半導(dǎo)體器件物理》課程是筆者學(xué)校電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課程。根據(jù)地方應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)的目的及人才培養(yǎng)的局限性，筆者從教材的選擇、教學(xué)內(nèi)容的安排、教學(xué)方法和手段的改進(jìn)、實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施途徑等方面進(jìn)行了有益的探索。通過(guò)減少?gòu)?fù)雜公式的推導(dǎo)，增加課件的動(dòng)畫(huà)教學(xué)比例、將Silvaco仿真軟件引入教學(xué)和實(shí)驗(yàn)、全天開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室及與企業(yè)生產(chǎn)一線緊密協(xié)作等方式，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。

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