半導體器件仿真大型實驗教學改革

李如春， 朱 華

(浙江工業大學 信息工程學院，杭州 310014)

0 引 言

高等教育的主要任務是為知識、技術創新提供智力支持和人力資源保障。作為高等教育主體的本科教育，肩負著為社會培養高素質專業人才的重任。實驗教學是本科教育的重要組成部分，是學生掌握理論知識、聯系實際應用的重要手段。在實驗教學中，學生需完成操作機器、調試儀表、觀察現象、處理數據、撰寫報告等一系列教學任務，這些過程能有效訓練學生的實際操作技能，提高學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的創新精神[1-2]。

1 新工科背景下的實驗教學改革

2017年2月，教育部推出“新工科”計劃，啟動“新工科研究與實踐”項目[3-4]，指出新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的5個“新”，即工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系?！靶鹿た啤庇媱澋捻樌七M，有賴于實施者對“新”的正確認識。李培根[5]，論述了對“新工科”之“新”的理解，提出“新”的內涵首先表現在面向未來的工程人才應該具備 “新素養”，“新素養”涵蓋使命感和價值感、空間感、關聯力、想象力、宏思維、批判性思維等；同時指出“新工科”要落地在教材和教學方法的“新”上。

工程教育與產業發展是緊密聯系、相互支撐的，新經濟的發展對傳統工程專業人才培養提出了挑戰，發展“新工科”是支撐新經濟發展的人才需要。“新工科”計劃的5“新”，其目的是讓學生在更廣泛的專業交叉和融合中學習，培養學生快速學習新事物的能力，使其具備全球視野、領導能力、整合能力、實踐能力，成為具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。在上述能力培養中，實踐能力是至關重要的，是工程教育與行業企業緊密聯系的紐帶，而實驗教學作為實踐能力培養的基礎，需要為卓越工程師教育培養計劃、CDIO(Conceive, Design, Implement, Operate)[6-7]等工程教育人才培養模式的進一步深化打下堅實的基礎。因此，在新工科背景下，需進一步整合實驗課堂的教學內容和教學模式，主要注重以下幾方面的創新改革：

(1) 構建具有特色的創新型實驗教學體系，優化實驗教學內容，緊跟產業發展，增加綜合性、設計性、應用型實驗項目，加深學生對專業領域相關理論知識的理解，培養學生靈活運用理論知識解決實際問題的能力。

(2) 開放式組織實驗教學，鼓勵學生課外查找資料，尋求解決問題的方案，將課堂內外有機結合，形成多課堂協同完成教學任務的實驗教學方法，培養與提高學生的科學實驗素質和創新能力。

(3) 建立積極有效的實驗考核體系，注重激發學生實驗興趣，提倡科學嚴謹，將動手能力、綜合分析能力及創新能力作為主要考核內容。

由于半導體器件和集成電路的實際生產設備昂貴，對場地、空氣凈化的等級要求高，使用維護成本也很高，無法從教學需求層面進行建設，因此，絕大多數學校都是通過虛擬仿真實驗深化學生對半導體材料、集成電路工藝、器件原理和電路系統的認知，同時完成一些真實實驗無法或難以開展的實驗環節，揭示集成電路特征與內在規律，虛實結合、互補共促，半導體器件仿真大型實驗正是基于此需求開設的一門大型實驗，適用于電子科學與技術專業。通過實驗訓練，使學生初步熟悉主要的微電子工藝技術，提升學生集成電路制造的工程實踐素質，為學生的畢業設計和今后從事的相關半導體器件設計制作打下重要基礎。

2 半導體器件仿真大型實驗教學改革舉措

2.1 實驗內容的整合設計

半導體器件仿真大型實驗旨在學習運用大型數值模擬軟件仿真半導體器件和集成電路的實際制造流程，以往在實驗內容的選取上注重軟件的操作使用，綜合性的實驗內容雖然涵蓋了多種器件類型，考慮了主要物理模型對器件特性影響的分析，但設計、研究性的內容偏少，這在“新工科”背景下，對學生自主思考、積極探究的能力培養極為不利。為此，提出對實驗內容進行整合改進，增加具有一定設計、研究要求的應用型實驗，促進實驗項目與科研、工程和社會應用實踐有機結合。

根據培養計劃設定的40學時實驗教學要求，將實驗內容分成3大部分，并合理分配學時，具體見圖1。

圖1 半導體器件仿真大型實驗內容整合示意圖

(1) 軟件使用。大型實驗采用Silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真軟件作為操作平臺。Silvaco TCAD包括Athena和Atlas兩大模塊，其中Athena模塊用于半導體工藝模擬仿真，Atlas模塊用于半導體器件特性模擬仿真。

軟件使用操作學習共安排8學時，2學時教師通過授課方式介紹Silvaco TCAD的概況及相關的程序語法結構[8-9]，Athena和Atlas兩大模塊的使用操作學習各安排3學時，選擇齊納二極管、肖特基二極管的工藝制作和特性分析作為實例進行仿真。

(2) 綜合實驗。綜合實驗共安排16學時，在內容選取上需涵蓋不同器件類型、物理模型、分析方法等，讓學生在全面了解軟件功能的同時，掌握理論知識在實踐上的正確應用。

器件類型可以選擇最經典的BJT(Bipolar Transistor)和MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，仿真模擬其工藝制作流程和基本的伏安特性、轉移特性等。

Silvaco中的數值計算是基于一系列物理模型及其方程的，在不同的場合需使用不同的物理模型，仿真精度和正確性與物理模型的選擇直接相關。在實驗內容上安排不同物理模型對仿真結果的對比分析，可以加深學生對半導體器件理論模型的理解和認識。具體內容的選擇包括：能量平衡模型、漂移擴散模型、深能級陷阱等對器件特性的影響。

對于半導體器件而言，端口的電學特性是評價器件性能好壞的主要技術指標，包括直流特性、交流特性、瞬態特性和一些高級特性。在實驗內容安排上，以MESFET器件為對象，學習如何進行器件直流、交流、瞬態特性等的仿真。

(3) 研究實驗。研究實驗安排16學時，可以從新材料、新結構、新特性3個方面進行考慮，內容選取上及時融入當前研究熱點[10]。

在新材料方面，可以選取第3代半導體材料，比如寬禁帶的SiC、GaN等[11]，一方面讓學生了解新材料的特性和其對器件性能的影響，另一方面學習仿真軟件中如何定義新材料的特性。在新結構方面，可以選擇VDMOS、IGBT等功率器件[12]，學生由此可以了解將常規的BJT和MOSFET進行組合或結構改進，能夠形成實際應用非常廣泛的大功率器件，同時可以學習如何利用軟件定義器件的新結構。在特性方面，可以選擇光電探測器、太陽能電池等光電器件[13-14]，學生在了解光電器件工作原理的同時，學習仿真軟件如何定義關照、如何測量光電流等；更進一步，可以通過查找資料，探索研究如何改進光電器件的材料、結構等，從而優化器件的性能，使學生的創新思維、科研能力得到鍛煉。

2.2 教學模式的改進

在實驗教學的組織方式上，可以采用多課堂協同的開放式教學模式[15]。對于操作和綜合性實驗內容，采用常規的課堂集中訓練，教師在實驗過程中及時指導和解答學生的問題；對于研究和設計性實驗，教師在課內布置相關的設計要求、技術指標等，要求學生課外查找文獻，進行相關的研究和設計，課內進行操作和實施，并討論解決過程中碰到的問題。這種開放式的教學模式，充分將課內與課外相結合，多課堂協同，方便研究、設計性實驗的開展。在這種實驗過程中，教師是學習活動的組織者、指導者和促進者，學生是學習活動的主體，可以實現以學生為中心的教學理念，有利于培養學生主動學習、積極探究的能力和創新意識，加強學生的團隊協作和溝通能力。

2.3 考核體系的優化

實驗內容整合和教學模式改革需要相應的考核體系支撐，才能合理評價學生的學習質量。實驗改革的評價體系，應該能客觀評價學生的實驗過程和效果，需要根據實驗的內容，安排其在總成績構成中的相應權值，具體指標如表1所示。

表1 實驗改革的考核評價體系

表1中，評價體系涵蓋實驗內容的各個部分，采用等級制，對學習結果進行A、B、C、D 4個等級的劃分。對于研究性的實驗內容，分配了30%的權重，能夠充分區分優秀學生和普通學生的學習成果差異。相比于傳統的成績評價體系，所提出的評價方法對過程學習的評價內容更具體，涉及面更廣，更能公正有效地評價學生的學習效果。

3 結 語

實驗教學的創新改革是高校創新型人才培養的一個重要保障，在“新工科”背景下對半導體器件仿真大型實驗的內容和教學模式進行改革，順應了新形勢的需要。依據該教改方案，在2014級電子科學與技術專業的學生中進行了實踐，取得的成效主要體現在學生的能動性提高、思維活躍，同時能客觀公正地評價每個學生的學習效果，總體效果良好。