半導體物理與器件課程教學模式改革初探

張學亮

(貴州理工學院，貴陽 550003)

新能源材料與器件專業與新能源、新材料產業密切相關，目的是研究開發下一代高性能、綠色、低碳的能源新材料、新技術與器件(如新型化學電源、燃料電池、太陽能電池和電解水材料)[1]。本專業擬培養新能源材料專門人才，要求掌握新能源材料的基本理論、制備過程、測試技術與分析方法，了解下一代能源材料科學的發展方向，具備開發新能源材料、研究新工藝、提高和改善材料性能的基本能力[2]。

半導體物理與器件作為新能源材料與器件的專業基礎課程，對學生了解半導體科學的理論基礎有重要意義，可以幫助學生認識、了解和掌握常見半導體器件的物理特性和相關應用。該課程的教學效果與學生的知識結構緊密相關，有必要對半導體物理與器件課程進行教學建設與改革。

1 半導體物理與器件課程的教學現狀

1.1 缺少合適教材

對于半導體物理與器件課程來說，國內外都有一些經典教材，如國內劉恩科，羅晉生等主編的《半導體物理學》，施敏等編著的《半導體器件物理》，國外Donald A.Neamen編著的《Semiconductor physics and devices》等。但現有教材大都不適用于工科學校，因為教材中繁瑣的理論和公式推導加大了學生的學習難度，影響了教學質量。同時，教材中內容過多，不利于學時較少的非物理專業進行教學安排，而且有些專業知識對于剛接觸專業課的學生來說有一定困難。

1.2 公式推導難度大

半導體物理與器件課程理論深奧、學科性強、公式推導復雜，缺乏引導式的教學方式，達不到理論知識和實際應用相銜接的目的，導致教學效果不佳[3]。應用型本科類高校在半導體物理與器件課程上的學時分配較少，很難抽出時間對教材中的公式進行全部推導，而學生自己推導又存在困難。

1.3 課程排布不具有連續性

半導體物理與器件課程一般安排在第五學期，要求學生先修完高等數學、大學物理、材料科學基礎、固體物理、量子力學等相關課程。但由于不同專業方向對學生的培養目標不同以及課時沖突，上述課程不能完全安排。教師在講授半導體物理與器件課程之前，需花費很多時間來補充晶體結構、量子力學基礎、能帶論等內容。

1.4 教學模式過于僵化

多媒體是一種很好的教學方式，高校也配備了多媒體教學設備，但不管是單獨用板書還是單獨用多媒體，或者是板書與多媒體相結合，學生都會對教師或板書產生依賴心理，而且會對課程中的公式推導過程選擇性忽視，只記住其中的結論，教學效果不理想。

2 教學改革內容與具體方法

2.1 結合學校定位和專業特色選定合適教材

貴州理工學院是一所以工學為主體，工學、理學、管理學、經濟學等多學科協調發展的理工類本科院校。學校的人才培養方案是根據CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)思想制定的，強調教學必須以學生為中心，充分調動學生主動學習的積極性。

教學模式為OBE模式(Outcomes-based education)，強調學生最后取得的學習成果。在OBE模式的指導下，每門課程必須清楚制定出學生學習完該課程后應達到的能力和水平，并通過教學文件中制定的相應教學內容來完成，注重培養學生的工程實踐能力。為達成此目標，在選擇教材時應偏向理論推導相對簡單、以器件為主和面向應用的教材。

2.2 結合學生特點編制教學文件

半導體物理與器件課程的概念多、公式多，如果只是向學生灌輸抽象的概念，則很難提高學生的積極性，容易使學生進入越理解不了越記公式，越記公式越理解不了的惡性循環。

結合學生的實際情況，對教學文件進行了如下改善：首先，在導論部分就讓學生清楚了解課程結構，通過觀看精心選擇的多媒體文件來讓學生對本課程所學有一個認識。其次，對課程知識點進行串聯，讓學生了解每一章所對應的內容，舉一些實際例子，讓他們熟悉教師的講授線索和講課風格。最后，要用通俗易懂的語言讓學生對相關概念進行聯想。例如，在講晶體結構時，可以座位為例來講授點陣、晶面、晶向等概念。

在講授電子遷移時，可以讓學生想象水的流動。在講能帶結構時，可以將費米能級比作水平面，異質結之間電子的遷移可以看做是水流的運動。

2.3 采用多種專業軟件使基本公式可視化

隨著微電子技術的迅速發展，一些計算機輔助及模擬軟件逐漸被應用于科學研究中，這些軟件具有清晰的界面，可將一些物理現象可視化，非常適合引入半導體物理與器件課程教學中，比如MATLAB、Aether、Mathematica等軟件。

MATLAB是Mathworks公司出品的一款功能強大的商業數學軟件。在半導體領域，可以用MATLAB軟件模擬一些物理現象，并分析器件的特性，使結果以圖形化輸出[4]。

使用MATLAB軟件輔助教學可以幫助學生掌握公式在實際分析中的運用方式，形成圖像記憶，培養學生解決實際問題的能力。例如，費米分布函數f(E)是一個重要概念，它描述了在熱平衡條件下能量為E的量子態被電子占據的概率。對于非物理專業的學生來說，剛開始接觸這個概念理解起來非常困難，而應用MATLAB就可以讓學生清晰直觀了解費米分布函數受溫度影響的規律[5]。

Aether軟件是我國自主研發的集成電路設計軟件，可以對器件和電流進行仿真模擬。將Aether軟件引入半導體物理與器件課程教學中可以使學生理解半導體器件的工作原理、電路特性以及參數對性能的影響，使教學內容更直觀。例如，在降解MOSFET結構時，利用Aether軟件可以對電路進行仿真，使學生更深刻認識到MOSFET結構的特點以及各個參數對輸出電路的影響[6]。

Mathematica軟件是一款科學計算軟件，較結合了數值和符號計算引擎、圖形系統、編程語言、文本系統，可以利用其開發半導體物理與器件課程的實驗仿真平臺。這樣既可以減少對實驗儀器設備的投入，又可以讓學生通過實驗來驗證物理模型和理論公式，加深對半導體物理概念和器件原理的理解[7]。