半導體物理學教學改革的探索與實踐*

張 強 郝潤芳 菅傲群 桑勝波

(太原理工大學信息與計算機學院微納系統研究中心 山西 太原 030024)

1 引言

半導體物理學是研究半導體器件內部電子過程的學科.通過該課程的學習，學生可以對半導體物理的基本內容有所掌握，并且可以了解在外界環境以及內部電子轉移的影響下半導體性質的變化情況[1].幾十年來，該學科在信息、軍事、自動化、應用物理、生物醫學、人工智能、能源環境等學科方面都具有極其重要的研究價值，是未來半導體工藝面向集成化和微型化的基礎研究[2].半導體物理不僅在理論研究上取得了舉世矚目的成就, 而且還極大地推進了現代產業如IC(集成電路)、微納光學、柔性電子、MEMS等相關產業學科的進步，是目前研究新型材料和器件的理論支撐.通過該學科的研究，可以加強學生的理論創新和應用實踐能力，為未來從事半導體行業的科研人才提供理論支持和實踐保障.站在科技高速發展的歷史新高度上, 理論掌握并且實際應用半導體物理相關知識對于相關產業的進步具有顯著意義.

2 半導體物理學面臨問題

半導體物理學具有深奧的理論內容和極具潛力的科研價值，是微型化器件設計制備的理論基礎，但是在教學過程中，也存在著以下問題：

其一，課程內容抽象，教學方式單一，難以激起學生學習的熱情.傳統的半導體物理學課程主要內容介紹了半導體中的電子狀態、半導體中的雜質和缺陷能級、半導體中載流子的統計分布、半導體導電性、非平衡載流子、p-n結、金屬和半導體接觸、半導體表面和MIS結構以及半導體異質結構等.在學習半導體物理學之前，需要對電磁場、量子物理、凝聚態物理等學科有所涉獵，并且教學過程中涉及的公式推導較多，因此需要學生具備較為扎實的數學功底去完成數學公式的推導，再加上物理含義較為抽象,難以形象化理解，因此龐大的知識體系給學生造成了巨大的困擾.同時教師主要采取單一的授課傳統，學生在聽課過程中，難以對課程內容融會貫通，迫使學生放棄學習的熱情.

其二,學生側重于半導體物理理論知識的學習,缺乏動手實踐能力,不能將理論與實踐相結合.對于半導體物理學這門學科而言,學生進行相關實驗操作或日常實踐的課時較少,難以提升學生的動手能力[3].并且學生在實驗過程中更多的是對數據和結果的機械記錄,缺乏對內部理論的深入挖掘,沒有達到應有的實踐效果.而半導體物理其中最主要的內容在于半導體工藝的實踐應用,特別是目前國家大力發展的芯片工藝上,半導體物理為其提供了強有力的理論支撐.

面對這些情況，進行半導體物理學課程的教學體系改革已經刻不容緩，通過改革使其降低學習難度，完善教學體系，增加教學的趣味性和吸引力，推動教學從理論向實踐的實質性跨越是現在亟需解決的問題[4].

3 教學改革實施方案

3.1 積極引導學生 化“被動”為“主動”

由于傳統單一的教學模式，教師講課，學生被動接受，再加上半導體物理學的內容較為抽象復雜，長此以往會嚴重降低教學質量，因此我們有必要結合當前的科技熱點和科技發展的大趨勢，積極引導學生的科研思路，培養學生的科研興趣[5].根據學科的發展方向，不斷更新課程內容.在課下充分調動學生的學習熱情，如布置課題讓學生對半導體芯片目前發展情況進行調研，詳細總結目前國家在相關產業所取得的進步以及遇到的瓶頸，結合目前所學理論知識闡述難以突破的技術難關，并將這些內容在課堂中以幻燈片等多媒體方式展現.通過實時熱點科技的引入，讓學生與時代緊密接軌，增加使命感和創造活力，促使學生更主動地參與到課程當中.

3.2 探索在線學習新模式

采用 MOOC、學堂在線等多種線上教學方式，實現線上教學與線下學習相互結合的教學模式改革,對于轉變傳統課堂教學模式和探索創新性的教學方式具有十分關鍵的作用.首先,教師在課堂上布置作業,學生通過線上教學平臺自主學習,初步了解理論內容并嘗試解決問題.隨后,學生將學習所產生的問題在線上進行留言,供教師評閱.最后在課堂上，學生對學習中所產生的問題和知識點進行闡述和提問.教師聽取學生發言后,與他們相互討論交流,從中發現學生對知識點的盲點,從而進行有針對性、補充性、延伸性的教學.另外,設置學生之間的答疑環節，每一位學生可以成立討論小組，在相互點評和相互交流過程中,實現對理論知識進一步的理解掌握,從而提升自主學習、分析和解決問題的能力.

3.3 開展形象化教學工作

形象化教學是指在教學過程中，運用形象生動的手段，把抽象的理論內容形象化成立體生動的模型或視圖，讓學生對理論有更直觀的理解和把握，從而推動教學的高質量講授.因此，通過形象化教學，可以加深理論化推導過程的印象，使學生更加專注所學知識，提高學生的學習興趣和活力[6].基于半導體物理而言，一方面，可以將課程中涉及到的載流子的變化情況制作成動圖或視頻，供學生觀看；另一方面，讓每位學生使用仿真軟件模擬半導體的工藝仿真、器件仿真等技術，從中直觀體會半導體器件的性質.

3.4 知識點結合科學前沿

為了進一步加深學生對枯燥知識點的理解，在備課工作中跟蹤知識點相關最新前沿科學研究工作，在教學過程中，穿插講解具有代表性的學術文獻.一方面，通過文獻中實際科研工作實例加深學生對相關知識點的理解；另一方面，通過理解前沿熱點科研工作，引發學生對科學和實際問題的求知欲，有助于發散學生思維，鍛煉學生思考和解決問題的能力；另外，向有興趣的學生教授文獻檢索的方法，對課堂問題布置發散性問題，讓學生們以小組為單位通過查找資料整理理論和實際解決問題的方法.通過該教學方法的探索，以課堂知識點為基礎，有效地將理論與實際相結合，加深學生知識點的學習和理解，同時鼓勵學生廣開眼界，探尋學科中有待解決的科學技術問題，通過文獻的學習，學習相關領域專家學者解決問題的過程，凝練適合自己的解決問題的新方法.

3.5 鼓勵學生開展項目

半導體物理學是一門理論性課程，但學生由于缺乏相關的專業學習和研究經歷，很難真正地將理論用于實踐中去.實踐是檢驗真理的最好方式，在現有人員和設備的基礎條件下，應當讓更多學生積極主動地參與到半導體物理實踐應用的項目當中，感受半導體物理在項目中的實際應用，如半導體器件加工與測量.從項目所定制的目標，到初步探索與實驗，最后到項目的結題，完整的流程既可以提升學生的科研素養，又能把所學的專業課程應用起來，加深對課程內容的理解.

3.6 優化創新型實驗內容

目前實驗主要涉及3個內容：四探針法測量電阻率、霍爾效應實驗以及MOS 結構的高頻C-V 特性測量.通過實驗使學生熟悉常用的半導體物理性能測試儀器的原理、結構和操作方法等.其中，常見的四探針法測量電阻率有測量圓晶片的電阻率，基于此，應當拓展實驗內容，增加測量方塊電阻、圓柱電阻率等實驗方案，夯實學生對四探針法測量理論的理解.對于MOS 結構的高頻C-V 特性測量而言，通過實驗現象觀察不同電壓條件下電容改變的情況.除此以外，也要適當拓展，改變實驗條件，如在電壓值一定的情況下探究不同頻率對電容的影響.通過理論公式的推導與實驗現象的擬合，可以激發學生的熱情，使學生更加專注地投入到學習中.基于傳統的實驗方案，還應該繼續拓展新的實驗，引進新的儀器和設備，使用阻抗分析儀測量二極管的伏安特性，從中觀察二極管的開關特性，使用紫外可見分光光度計測量半導體薄膜的吸收/透射光譜等[7].通過對實驗的優化和改進，更能促進學生對半導體物理理論內容的理解，為未來的科研探索提供好鋪墊，并且較好地培養學生的動手能力和科學素養.

4 總結

快速發展的半導體技術提升了半導體制備工藝，這就啟示我們不僅在理論課程的教學要多覆蓋，能跟上時代步伐，也要積極改革教學方法，激發學生內在的潛能.以熱點問題和學科發展方向引導學生主動思考相關問題，探索線上教學以及形象化教學模式，通過介紹行業情況和機遇激發學生學習本門課程的積極性，鼓勵學生主動參與導師的相關科研項目，創新優化實驗內容，加強對本專業課程體系的把控.通過這些教學改革措施，為培養創新型和應用型人才提供良好的基礎.