淺談西部理工院校半導體物理教學

（桂林理工大學，廣西 桂林 541004）

摘要：半導體物理課程是應用物理專業非常重要的專業必修課，這門課程比較抽象，理論性、邏輯性較強，對半導體物理教學內容和方式的整合和講授有一定難度。本論文依據西部地區理工科院校的培養方案和國內外先進的教育理念，培養學生創新意識和探索精神，提高教學質量以及學生綜合利用知識的能力。

關鍵詞：半導體物理；教學效果；教學方法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）13-0167-02

半導體物理是固體物理學的一個重要分支，主要闡述半導體的基本物理理論和基本物理性質以及當前各種半導體器件內部電子輸運過程的學科，是應用物理學的新器件和新材料技術方面的基礎學科，現已成為現代新器件、新材料的基本物理理論基礎，為后人研制半導體新器件和新材料實現特殊性能提供解釋物理機理和指導方法，將物理的基本理論和實際應用之間建立橋梁。半導體物理課程的開設為以后學生從事電子行業提供了基本理論知識。相對于西部落后地區一般本科院校的學生來說，他們的專業基礎相對薄弱。但是，學習這門課程需要較強的基礎功底，《量子力學》、《固體物理》這些比較難學的課程必須學好，因此出現學生課堂不愿上課，這極大地影響到教師的積極性，增加了教學的難度。為了更好地講授半導體物理課程，讓學生對這門課程知識的理解和掌握達到教學目的的要求，筆者結合西部落后地區一般本科院校學生的實際情況，并針對在應用物理專業的半導體物理課程教學實踐中發現的問題淺談自己的看法。

一、構建合理的教學內容，提高課程教學的有效性研究

1.修訂教學大綱。根據光電子、微電子兩個專業方向后續課程的需要及參加研究生入學資格考試應掌握的基本知識，兩個專業方向的教學內容及學時分配有所不同，選擇適合學生特點的教材以及教學大綱。在半導體物理學的教學內容包括半導體的晶體結構、載流子和非平衡載流子、半導體PN結器件等相關重點、難點、概念，以及一些參考資料、作業題和思考題，需要合理安排教學計劃及對應學時的分配。針對半導體的教學內容，需要開展該課程教學研討活動，著重強調半導體物理理論用在實踐中。授課教師應根據該學科發展的方向、教學改革和實踐的變化等情況，不定期修訂教學大綱。針對半導體物理學課程的教學上，由于該課程的理論分析（包括能帶理論、半導體的電子傳輸理論等）非常深奧，公式的推導比較多，對于基礎相對較差的學生來說，學習起來非常吃力，而且枯燥乏味。我們經過比較分析現有眾多半導體物理教材后，采用高等學校工科電子類（電子信息類）規劃教材《半導體物理學》，由西安交通大學劉恩科等編寫。該教材半導體物理的基礎知識比較全面體現突出物理概念，強調基本分析方法，沒有很多煩瑣的公式推導，可讀性強，便于自學。目前很多高校都在使用該教材[1]。

2.激發學生的科研興趣，培養學生的科研素質。采用研究型課堂教學為學生提供了發現問題、研究和解決問題的基本程序，并提供了實踐機會，豐富了學生的實踐經驗，為學生在今后工作中開拓創新奠定了堅實的基礎，因為學生將來希望從事IT行業，比如太陽能電池、超大規模集成電路、LED顯示等，因此，在課程起始階段，教師介紹半導體的學科發展，結合半導體在太陽能電池、超大規模集成電路、LED顯示等方面的應用，給學生提供學習思路框架，用簡單的邏輯關系指明各個學習點和概念的相互關系，使學生知識的來龍去脈有整體的把握，使他們了解課程的重要性以及提高對這門課程的興趣。做到較快地掌握教材中給出的很多結論，達到良好的學習的效果[2]。

3.合理使用現代化教學手段。在教育現代化、信息化的今天，以多媒體與計算機網絡技術為核心的信息技術是當代教育改革的制高點，多媒體技術以圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的表現形式走進課堂，所以運用多媒體技術教學可以很好地對解決常規課堂教學中難以解決的難點[3]。但在半導體物理教學中，如果一味地使用多媒體課件，盡管很多圖片都非常的逼真、形象，讓學生能夠更好地理解。如第一章中學習有關載流子濃度的計算，對掌握晶體的能帶結構，熟悉硅、鍺、砷化鎵等傳統半導體的能帶結構特征，包括禁帶、導帶、價帶等基本概念的理解來說都非常形象，利用多媒體動畫，就可以清楚地展示出原子排列結構如何從一個原子到多個原子的公有化運動形成能帶，但是多媒體教學忽略了學生的感受和接受能力，違背了教學規律。針對這些問題，在課堂教學中必須先啟發學生的對半導體物理思維，在學生建立對半導體的求知欲之后，適當運用多媒體技術圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的優勢，將教學過程中的難點和重點概念傳授給學生。如在講解半導體能帶結構時，通過多媒體課件展示并結合板書，這樣學生更容易接受相關理論的精髓。只有將教師在課堂中的板書與多媒體技術結合起來，才能獲得非常好的教學效果。

二、緊跟學科前沿，結合科研實際適當把前沿知識引入課堂

在半導體物理教學組織管理方面，采用傳統的理論講述、練習習題課、實驗實踐相結合的形式，理論講授課由主講教師講授半導體物理的基本概念和基本分析方法。專門開設習題課，負責復習和鞏固理論課講授的內容，并通過綜合練習提高學生的分析問題的能力。但是不能單純講解理論知識，而是要結合教師和學生的科研實踐對理論知識進行深入的解析，這樣有助于培養學生的科研思維。將教學與科研相結合，讓學生了解半導體物理學科的研究前沿。比如在講解能帶論與半導體相關器件時，可以引入現代科技進展，結合自己主持的半導體器件相關科研項目，如電阻式隨機存儲器（RRAM）作為一種新型的非易失性存儲器，其原理是過渡金屬氧化物在不同極性的外電壓脈沖作用下誘導出不同電阻態的效應。由于電阻式隨機存儲器擁有高速、高密度、低功耗、制備簡單、半導體工藝兼容性好等優秀的性能，引起人們廣泛的關注，有望替代目前市面上的磁存貯器，成為下一代的通用存儲器，其熱點集中在性能及機理的研究上。另外一些研究通過設計成pn結器件，制備成十字交叉結構憶阻器件，以實現高的器件密度以及解決讀寫誤讀的想象。從眾多的有關半導體中基本的晶體結構知識、能帶理論和半導體的電子輸運性質，提出了不同的模型來解釋這一電阻開關現象，相應的機理包含傳導燈絲導通模型，空間電荷束縛模型，電致氧空位遷移機制，肖特基勢壘模型等，而電極效應是指電極與薄膜材料的界面處由表面態導致的電阻轉變的機理。另外在講解半導體發光，以及光電效應時，可以引入到目前太陽能發光，LED發光等應用非常廣的領域，從而激發學生的科研能力，促進學生素質的全面提高，為學生以后從事科研或者相關工作打下一定的基礎。

三、加強實驗教學

實驗實踐教學是應用性人才培養的重要保證，針對半導體物理實踐課來說，其實是半導體課程的最重要部分，通過實踐實驗教學，使學生掌握和體會半導體物理理論對現代半導體產業和半導體知識的理解，讓學生樹立理論聯系實際的學風和工作作風，提高學生綜合分析解決問題的能力。在傳統實驗課中，因內容過分偏重于基礎訓練，所以在方法和手段上很單調，主要以模仿為主，缺少設計性、創新性。在教學內容上，適當增加了綜合性、設計性和創新性實驗，如果恰當地使用直觀、形象物理圖像，使學生獲得感性認識，縮小理論與實際的差距，縮短學生的認識過程，會提高課堂教學質量。這樣也可以調動學生的學習積極性，推進學生的自主實驗和合作實驗。自主設計實驗，測量半導體體電阻率、MOS結構C-V測量、為霍爾效應及半導體相關參數測量，通過這些實驗，使學生掌握幾種基本量測量方法以及數據處理的方法；熟悉基本的分析問題和解決問題方法及常用儀器的使用；在實驗中綜合運用所學的半導體物理學基本知識以及其他相關知識，提高學生的實際操作以及綜合實驗的能力，使科學研究的方法和探索解決問題的能力得到更好的培養，進而達到良好的實驗教學效果。

四、結束語

半導體物理作為應用物理、光電子和微電子專業重要的專業基礎課，半導體物理教學改革是一個龐大而又復雜的系統工程，我們通過對半導體物理教學模式、內容、方法和手段的改革進行了一些有意義的整合與改進，同時不斷提高自身的能力，可以逐漸形成適應應用型本科院校辦學定位的新的教學模式。

參考文獻：

[1]耿莉，徐友龍，張瑞智，創新型人才培養模式下的半導體物理教學研究[J].電氣電子教學學報，2009，（31）：85-89.

[2]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業出版社，2008：156-168.

[3]江錫順.提高應用型本科院校半導體物理教學質量的方法研究[J].滁州學院學報，2011，（13）：35-36.

作者簡介：李新宇（1981-），漢族，湖南人，博士研究生，副教授，研究方向：半導體薄膜與器件。