“微電子器件”課程的教學(xué)研究與探索

張立文 劉博 劉敏 張金燦

摘 ? 要：“微電子器件”課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要課程。該課程主要講述各種微電子器件的結(jié)構(gòu)原理、特性及特殊效應(yīng)等，不僅涵蓋內(nèi)容廣泛，還存在物理概念抽象、復(fù)雜數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)計(jì)算等特點(diǎn)，教學(xué)難度較大。針對這些問題，結(jié)合電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)需求，本文對“微電子器件”課程進(jìn)行教學(xué)研究與探索，推動(dòng)課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、改進(jìn)教學(xué)方法、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，以適應(yīng)微電子行業(yè)快速的技術(shù)更新。

關(guān)鍵詞：微電子器件 ?教學(xué)研究 ?電子科學(xué)與技術(shù) ?教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（a）-0212-02

隨著全球信息化進(jìn)程的高速發(fā)展，微電子技術(shù)已成為當(dāng)代發(fā)展最快的技術(shù)之一。微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大大推動(dòng)了航天航空技術(shù)、遙測傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，被譽(yù)為現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的心臟和高科技的原動(dòng)力，對國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義。尤其是去年的“中興”事件也表明：要促進(jìn)我國高科技信息技術(shù)的發(fā)展，就必須掌握研制高性能微電子器件的核心技術(shù)，制造出屬于我們自己的芯片。如今，微電子技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和綜合國力的重要標(biāo)志。

“微電子器件”課程是我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要課程，其在“模擬電子技術(shù)”、“半導(dǎo)體物理”等課程基礎(chǔ)上，進(jìn)一步系統(tǒng)地闡述微電子器件的結(jié)構(gòu)原理、基本特性及特殊效應(yīng)等內(nèi)容。同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)“集成電路設(shè)計(jì)”、“高頻電子技術(shù)”和“半導(dǎo)體測試技術(shù)”等課程的基礎(chǔ)[1-2]。這使“微電子器件”課程在整個(gè)專業(yè)課程體系中起到承上啟下的作用，在我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科人才培養(yǎng)體系中占據(jù)非常重要的位置。然而，該課程涉及的內(nèi)容極其廣泛，而且還存在物理概念抽象以及公式繁復(fù)等特點(diǎn)，對于學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)過程中存在一定的難度。同時(shí)，微電子技術(shù)的不斷發(fā)展、知識(shí)快速更新也對本專業(yè)學(xué)生提出了更高的要求。因此，無論從學(xué)科專業(yè)建設(shè)，還是從微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才需求戰(zhàn)略角度，“微電子器件”課程的教學(xué)研究都非常必要。

1 ?課程教學(xué)改革背景

我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)前身是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，從1990年開始招收電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生，下設(shè)有集成電路技術(shù)方向。隨著全球化電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的人才需求在近年來呈持續(xù)快速增長趨勢。2015年開始招生電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)?！拔㈦娮悠骷币恢笔窃搶I(yè)核心課程。在早期剛開設(shè)該門課的時(shí)候，設(shè)置48個(gè)理論學(xué)時(shí)，早期設(shè)置的該課程不僅介紹了一些常用的微電子器件的結(jié)構(gòu)原理，還對后續(xù)的集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分進(jìn)行了初步探討。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐之后，發(fā)現(xiàn)該課程存在如下主要問題：（1）課程涵蓋內(nèi)容廣泛既有器件方面內(nèi)容，又有集成電路設(shè)計(jì)內(nèi)容，48個(gè)學(xué)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，學(xué)生看似學(xué)了很多，但都是皮毛，沒有深入，教學(xué)效果不理想;（2）介紹的集成電路設(shè)計(jì)部分內(nèi)容和后續(xù)專業(yè)課程“集成專業(yè)設(shè)計(jì)原理”有重復(fù)，讓學(xué)生覺得有點(diǎn)乏味;（3）由于課程涉及很多抽象、晦澀的物理概念，導(dǎo)致學(xué)生在課程學(xué)習(xí)后不知如何與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系。針對上述問題，結(jié)合電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)需求，我們對“微電子器件”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進(jìn)行教學(xué)改革的研究和探索。

2 ?教學(xué)研究與探索

2.1 教學(xué)內(nèi)容編排研究

微電子本身就是快速發(fā)展，更新頻繁的技術(shù)。如何把握教學(xué)內(nèi)容，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，又讓學(xué)生了解微電子技術(shù)前景與未來，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上課程組成員做了充分討論，將課程教學(xué)重點(diǎn)放在掌握PN結(jié)二極管、雙極結(jié)型晶體管和絕緣柵場效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)原理、工作特性，學(xué)時(shí)設(shè)置為56學(xué)時(shí)。教材選取也是課程建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前微電子器件相關(guān)書籍深淺不一，主要包括：《微電子器件》、《微電子器件與IC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《微電子器件基礎(chǔ)》、《微電子器件封裝與測試技術(shù)》、《微電子技術(shù)的可靠性—互連、器件及系統(tǒng)》等[3-7]。它們大都包括微電子器件內(nèi)容，由于面向讀著對象不同，內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)也不同。考慮該課程在整個(gè)培養(yǎng)體系的承上啟下作用，最后選用電子工業(yè)出版社陳星弼教授主編的《微電子器件》作為該課程的主教材[3]，該教材為普通高等教育“十一五”、“十二五”國家級(jí)規(guī)劃教材，其內(nèi)容全面，理論分析透徹和數(shù)學(xué)推導(dǎo)清晰。授課時(shí)，首先講授課程導(dǎo)論，概述課程內(nèi)容及微電子器件發(fā)展概況、產(chǎn)業(yè)及研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢，目的是讓學(xué)生對微電子器件課程有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)，引發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。由于教材中沒有該章節(jié)，教學(xué)內(nèi)容是教師總結(jié)多本參考書并結(jié)合最新行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行講授。接下來根據(jù)教材講授，第1章介紹半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)及基本方程，第2章至第4章主要闡述PN結(jié)二極管、雙極結(jié)型晶體管和絕緣柵場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)原理、工作特性和SPICE模型，第5章介紹半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件。課程內(nèi)容側(cè)重微電子器件，刪掉原先安排的集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)在原有48課時(shí)基礎(chǔ)上增加8個(gè)學(xué)時(shí)，既能與后續(xù)課程內(nèi)容區(qū)分，又能對微電子器件相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行精講、細(xì)講，夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 重視課程導(dǎo)論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

“微電子器件”課程涉及大量抽象的物理知識(shí)，這使學(xué)生理解起來有些困難;另外，復(fù)雜的公式推導(dǎo)又使得學(xué)生面對繁瑣的計(jì)算而容易失去學(xué)習(xí)興趣。因此，在授課中如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是非常重要的。為此，一定要上好入門的第一節(jié)課程導(dǎo)論課。通過課程導(dǎo)論的講解，要讓學(xué)生明白該課程學(xué)什么，為什么學(xué)，如何學(xué)。首先，該課程學(xué)什么？其實(shí)就是讓學(xué)生在開始上課之前了解這門課程將要講些什么內(nèi)容。一方面要讓學(xué)生初步了解整個(gè)課程的知識(shí)體系，克服學(xué)生對這門課程望而生畏的心理。另一方面結(jié)合微電子技術(shù)最新發(fā)展?fàn)顩r，介紹高科技信息產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)問題，比如華為5G技術(shù)、中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等，強(qiáng)調(diào)中國微電子發(fā)展的重大前景和需求。從行業(yè)發(fā)展前景的角度，激發(fā)學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。其次，為什么學(xué)習(xí)該課程？這要求學(xué)生了解“微電子器件”課程在整個(gè)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)體系中的位置和作用。向?qū)W生闡明該課程在整個(gè)課程體系學(xué)習(xí)中起到承上啟下的作用。同時(shí)結(jié)合行業(yè)發(fā)展和就業(yè)前景，讓學(xué)生懂得學(xué)好這門課程是有用的，學(xué)習(xí)起來也會(huì)有動(dòng)力。最后，如何學(xué)？考慮到該課程物理概念抽象并伴隨較多繁瑣的公式，如何學(xué)就是要讓學(xué)生了解學(xué)這門課程都需要準(zhǔn)備哪些數(shù)學(xué)和物理知識(shí)，如何進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)等等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，也可以通過建立QQ或微信學(xué)習(xí)群，學(xué)生有不懂的問題可以在群里交流和討論，老師也可以在學(xué)習(xí)群里發(fā)作業(yè)、討論、為學(xué)生答疑解惑，讓學(xué)生能輕松愉快地接受知識(shí)。