科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法在《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

崔昊楊（上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海200000）

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科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法在《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

崔昊楊
（上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海200000）

摘要：半導(dǎo)體器件的發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)的弱電專業(yè)半導(dǎo)體器件課程教學(xué)存在知識(shí)系統(tǒng)更新慢、理論推導(dǎo)繁縟、教學(xué)方式僵化等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，對(duì)半導(dǎo)體器件前沿領(lǐng)域關(guān)注不夠，制約了半導(dǎo)體器件課程的實(shí)際教學(xué)效果。針對(duì)這一問(wèn)題，本文探討了將科研思維貫穿在《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》課程中的教學(xué)方法，將最新的科研動(dòng)態(tài)和學(xué)科科研思維融合到課程的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并實(shí)現(xiàn)教師教、學(xué)相長(zhǎng)的目的。該教學(xué)方法的實(shí)踐表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)意識(shí)、學(xué)習(xí)主動(dòng)性提高，教學(xué)效果得到明顯提升。

關(guān)鍵詞：科研思維；半導(dǎo)體器件；教學(xué)方法

Abstract:The development of semiconductor devices is changing with each passing day. The traditional teaching method of semiconductor device courses has the problems of slow updated knowledge system, complicated theory and rigid teaching method, which dampens students' interest in the front area of semiconductor devices, and thus influences the actual teaching effect of the course of semiconductor devices. To solve this problem, this paper discussed the application of scientific research thinking teaching method in "semiconductor device" course. The integration of the latest research developments and scientific thinking into the teaching course helps to guide students to self-study and to realize the purpose of teachers' teaching and learning. The practice of this teaching method shows that improvement of students' learning interest, learning consciousness and learning initiative has a positive and obvious impact on the teaching effect.

Keywords:scientific research thinking; semiconductor devices; teaching method

引言

2015年3月我國(guó)政府發(fā)布了“中國(guó)制造2025”[1]，半導(dǎo)體領(lǐng)域成為重中之重。中國(guó)每年的半導(dǎo)體組件進(jìn)口金額已經(jīng)超過(guò)原油，工業(yè)產(chǎn)品核心的半導(dǎo)體自給率僅為20%左右。一邊是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展，一邊是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)人才的匱乏，特別是中高級(jí)科研人員尤其短缺。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，人才是第一資源，培養(yǎng)半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的中高級(jí)人才已成為現(xiàn)代大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)面臨的緊迫任務(wù)。然而，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件課程教學(xué)中普遍存在知識(shí)系統(tǒng)陳舊、理論推導(dǎo)繁縟、理論與實(shí)踐關(guān)聯(lián)程度弱等問(wèn)題，這在很大程度上影響了半導(dǎo)體器件課程的實(shí)際教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不理想。半導(dǎo)體器件是一門(mén)發(fā)展極為迅速的學(xué)科，新理論、新材料、新技術(shù)的更新速度快，半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體芯片的種類、質(zhì)量與性能的發(fā)展更是日新月異。但目前的課程教學(xué)內(nèi)容與半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平不匹配，學(xué)生很難把握半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿方向。傳統(tǒng)的教學(xué)方法、教學(xué)模式和教學(xué)理念雖在過(guò)去的幾年間取得當(dāng)初設(shè)定的目標(biāo)，但已不適應(yīng)當(dāng)今國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體器件領(lǐng)域人才培養(yǎng)的要求。

隨著大批高層次人才的引入，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的科學(xué)研究水平日益提高，涌現(xiàn)出了大量的科技成果，相關(guān)領(lǐng)域的研究水平與國(guó)外差距日趨減小，部分科研成果甚至領(lǐng)先于世界水平。如何將較新的半導(dǎo)體器件研究理論、技術(shù)方法以及科研人員科技成果引入到半導(dǎo)體器件物理日常教學(xué)中，與半導(dǎo)體器件教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合，成為本領(lǐng)域人才培養(yǎng)的難點(diǎn)。積極主動(dòng)的科研思維引入到日常教學(xué)，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生了解半導(dǎo)體器件領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展水平的機(jī)會(huì)，為后繼課程奠定基礎(chǔ)[2]，更能夠鍛煉教師的科學(xué)研究理性思維，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。在這樣的背景下，本文探索和實(shí)踐了融合科學(xué)研究思維的半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法，通過(guò)連續(xù)幾年的半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程跟蹤和效果分析，表明該方法能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)意識(shí)和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，教學(xué)效果得到明顯提升。

一、教學(xué)內(nèi)容選擇

針對(duì)我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特點(diǎn)，我們選擇了蘇州大學(xué)出版社出版的《半導(dǎo)體器件物理與工藝》教材，該書(shū)作者是本領(lǐng)域的知名專家施敏教授。教材的難度和教學(xué)內(nèi)容均符合電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)大綱要求，教學(xué)內(nèi)容涵蓋pn結(jié)、雙極型晶體管、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MES場(chǎng)效應(yīng)晶體管等四個(gè)部分的內(nèi)容。考慮到近幾年半導(dǎo)體器件的科技發(fā)展水平，教研組對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》課程前期，本專業(yè)已經(jīng)開(kāi)設(shè)了《半導(dǎo)體物理》課程，具體學(xué)習(xí)了半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性和非平衡載流子等概念，學(xué)生在半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)具備了一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。盡管如此，為與半導(dǎo)體物理課程形成良好的銜接，本課程的教學(xué)中首先還是利用了2個(gè)課時(shí)總體回顧了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識(shí)，特別是與半導(dǎo)體器件相關(guān)的半導(dǎo)體摻雜、能帶、非平衡載流子等知識(shí)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，利用1個(gè)課時(shí)的時(shí)間介紹了基本的半導(dǎo)體器件的種類及其工作原理與半導(dǎo)體物理理論的關(guān)系。通過(guò)與前期課程的有效銜接，為學(xué)生梳理了半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)性。

在《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》教學(xué)內(nèi)容方面，在把握課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了常見(jiàn)器件的發(fā)展水平和新理論和新技術(shù)方面的綜述。在pn結(jié)器件章節(jié)，在重點(diǎn)講解pn結(jié)的工作原理的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)充LED器件、光伏型太陽(yáng)能電池和光電檢測(cè)探測(cè)器的基本知識(shí)和當(dāng)今發(fā)展水平介紹，新增教學(xué)內(nèi)容使該章節(jié)的理論課時(shí)增加了3個(gè)課時(shí)。對(duì)于pn結(jié)器件的制備工藝和流程，考慮到后繼的集成電路工藝原理課程會(huì)重點(diǎn)介紹，因此，在本課程中只進(jìn)行粗略介紹，節(jié)省1課時(shí)的教學(xué)工作量；在MOSFET章節(jié)中，結(jié)合前期講解的雙極型晶體管知識(shí)，介紹了當(dāng)今電力電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究器件——絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及IGBT模塊的基本原理、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展水平；在MSFET章節(jié)中，重點(diǎn)講解金屬/半導(dǎo)體接觸二極管，通過(guò)肖特基接觸的電學(xué)特性仿真，以及肖特基接觸與pn結(jié)共存器件的光電特性仿真，以此說(shuō)明金屬/半導(dǎo)體接觸對(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響作用。

二、教學(xué)方法實(shí)踐

半導(dǎo)體器件是集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的核心部件，對(duì)半導(dǎo)體器件的工作原理、性能、參數(shù)的深入理解有助于提升學(xué)生對(duì)于半導(dǎo)體器件的實(shí)際應(yīng)用能力，以科學(xué)研究任務(wù)帶動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能夠有效提升學(xué)生創(chuàng)新積極性。為此，在《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》課程的日常教學(xué)中，提出了融合科研思維的教學(xué)方法[3]。其核心思想是在教學(xué)過(guò)程中，增加了課堂互動(dòng)、學(xué)生課后文獻(xiàn)綜述、模型創(chuàng)建、理論仿真、論文撰寫(xiě)等環(huán)節(jié)，深入了解器件的原理以及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的科學(xué)研究方法。該方法的具體實(shí)施方式是：通過(guò)教師在個(gè)別章節(jié)講解過(guò)程中，引出自身在開(kāi)展相關(guān)器件科研中遇到的問(wèn)題，開(kāi)展課堂和課后討論，將學(xué)生分組后讓學(xué)生團(tuán)隊(duì)課后調(diào)研相關(guān)問(wèn)題的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展綜述，利用已學(xué)的半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)建立理論模型，開(kāi)展理論仿真和計(jì)算，解決這些問(wèn)題，并以科技論文的方式遞交報(bào)告，教師通過(guò)學(xué)生團(tuán)隊(duì)提交的論文情況與學(xué)生再進(jìn)行更深層次的討論，分析模型和仿真計(jì)算中出現(xiàn)的問(wèn)題或可取之處，通過(guò)上述環(huán)節(jié)達(dá)到教、學(xué)相長(zhǎng)的目的。

例如，在金屬/半導(dǎo)體接觸器件章節(jié)，我們首先在課堂上介紹了金屬/半導(dǎo)體接觸可能形成的兩種接觸類型，即歐姆接觸和肖特基勢(shì)壘。強(qiáng)調(diào)了金屬/半導(dǎo)體接觸在半導(dǎo)體器件制備過(guò)程中的廣泛性和肖特基勢(shì)壘的整流特性，推導(dǎo)了肖特基勢(shì)壘的電流——電壓特性公式。在此基礎(chǔ)上，拋出了教師科研中遇到的肖特基勢(shì)壘對(duì)pn結(jié)二極管性能的影響的問(wèn)題。將學(xué)生分成4人一組的研究團(tuán)隊(duì)，要求他們?cè)?個(gè)星期內(nèi)完成相關(guān)方面的科研課題，啟發(fā)他們從肖特基勢(shì)壘對(duì)pn結(jié)光電探測(cè)器的電學(xué)特性、光電特性兩個(gè)方面的影響開(kāi)展研究，對(duì)于電學(xué)特性影響研究引導(dǎo)學(xué)生pn結(jié)與肖特基勢(shì)壘共存器件等效電路模型的構(gòu)建，由于肖特基勢(shì)壘的整流特性，將在一定程度影響pn結(jié)的電流電壓特性，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了電學(xué)I-V特性的仿真分析；在影響光電特性方面，將器件在瞬態(tài)光照條件出現(xiàn)的異常光伏特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分發(fā)給學(xué)生，并引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注光伏信號(hào)呈現(xiàn)的光伏谷、光伏峰共存的異常現(xiàn)象，讓學(xué)生從pn結(jié)光伏和肖特基勢(shì)壘光伏組合的模型對(duì)上述異常現(xiàn)象作出解釋，并進(jìn)行理論仿真驗(yàn)證，闡明肖特基勢(shì)壘光伏對(duì)pn結(jié)光伏的抑制效應(yīng)。上述任務(wù)分發(fā)后，學(xué)生開(kāi)始有目的的利用各種網(wǎng)絡(luò)、圖書(shū)館、科技文獻(xiàn)資源查找資料、收集資料，同組學(xué)生進(jìn)行了深入討論，團(tuán)隊(duì)成員在一個(gè)星期時(shí)間內(nèi)分工明確，互相配合，開(kāi)展相關(guān)理論及仿真的研究，并按照科技論文規(guī)范共同撰寫(xiě)科技論文。在科技論文提交后，教師對(duì)論文進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)，學(xué)生在同教師的點(diǎn)評(píng)和互動(dòng)過(guò)程中，對(duì)原有知識(shí)點(diǎn)的理解更為深入，并能夠初步解決實(shí)際的問(wèn)題，同時(shí)，通過(guò)科研訓(xùn)練能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造精神，通過(guò)對(duì)科研活動(dòng)的親身體驗(yàn)，使學(xué)生感受到所學(xué)知識(shí)的重要性，增強(qiáng)了他們學(xué)習(xí)的信心。

三、教學(xué)效果分析

科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法從2011級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)開(kāi)始執(zhí)行，通過(guò)幾年的實(shí)施和教性和能動(dòng)性得到了很大的提高，在相同的考試難度下，學(xué)生的期末成績(jī)優(yōu)良比例逐年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2011級(jí)至2013級(jí)學(xué)生的優(yōu)良比例從20%增長(zhǎng)到47%，不及格率從25%大幅下降到4.9%。上述指標(biāo)說(shuō)明該方法對(duì)于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果起到了較好的作用。此外，從采用該教學(xué)方法高年級(jí)學(xué)生的課程反饋效果也表明，《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》課程的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣得以提高，對(duì)器件工作原理的理解更為深入，為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定了很好的基礎(chǔ)。特別是通過(guò)該教學(xué)方法的訓(xùn)練，學(xué)生初步了解了科學(xué)研究的思路，破除了科研活動(dòng)的神秘感，增加了學(xué)生開(kāi)展科學(xué)研究的興趣和信心。

四、結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體器件的科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體領(lǐng)域的高端人才需求日趨強(qiáng)烈。《半導(dǎo)體器件》課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法已難以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需求，對(duì)普通高等學(xué)校開(kāi)設(shè)的《半導(dǎo)體器件》課程的教學(xué)進(jìn)行改革勢(shì)在必行。本文對(duì)科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法進(jìn)行了討論，闡述了科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的核心思維、實(shí)施方法、效果分析。將部分科研項(xiàng)目問(wèn)題分解到課程的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生自主開(kāi)展科學(xué)研究，并對(duì)學(xué)生提交的科技論文進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。實(shí)踐表明該教學(xué)方法可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生的考試成績(jī)的跟蹤分析和高年級(jí)學(xué)生反饋效果分析，也表明該方法收到了良好的教學(xué)效果。后期，我們將繼續(xù)對(duì)該教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步體現(xiàn)科研項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)的特色，進(jìn)一步提高課程學(xué)習(xí)效果，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程或今后從事電子和材料相關(guān)工作奠定良好的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：崔昊楊（1978-），男，吉林四平人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院副院長(zhǎng)，主講半導(dǎo)體物理，半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)等課程，目前的主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體器件的光電特性。

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）06-0093-02