淺談“半導體器件物理”教學改革

鐘英輝， 弓巧俠， 李夢珂， 馬劉紅， 段智勇

(鄭州大學 物理學院，河南 鄭州450001)

0 引言

隨著全球信息化進程加快，集成電路發展規模已成為衡量國家產業競爭力和綜合國力的重要標志。近年來，中美貿易摩擦為我國帶來深刻啟示，關乎國家經濟發展和國防安全的核心技術必須掌握在自己手里，集成電路基礎研究、行業發展和專業人才培養受到了國家和各級政府高度重視。半導體器件作為集成電路核心基礎技術，是銜接半導體材料和集成電路的橋梁，相關知識勢必成為電子技術人才培養重點基礎內容。

“半導體器件物理”課程主要講授對象包括：PN結二極管、雙極晶體管(BJT)、金屬半導體場效應晶體管(MESFET)、結型場效應晶體管(JFET)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)等，內容涉及半導體器件的基本結構、工作原理、電學特性和影響器件參數的因素等。課程教學目的是讓學生從理論和實際方面理解集成電路半導體器件，為集成電路工藝和設計打下理論基礎。

半導體器件物理課程涵蓋知識點眾多、物理概念抽象、公式推導繁瑣，是理論性和實踐性并重的課程，同時還需結合前沿發展動態。課程教學效果與學生的知識結構、就業、未來發展方向緊密相關，因此結合專業基礎、時代發展進行教學改革，為國家微電子行業培養應用型、創新型人才，具有重要意義。

1 “半導體器件物理”教學面臨的問題

在危機中育新機，在變局中開新局。目前，高水平半導體專業人才的缺乏是限制微電子行業發展的瓶頸，針對高校育人為本的辦學宗旨，為國家和社會培養優秀的微電子專業人才迫在眉睫。其中，首要的是正確認識半導體器件物理教學面臨的諸多問題：

1)學生相關基礎知識儲備不足

“半導體器件物理”課程涉及能帶、載流子輸運、缺陷態等眾多物理概念，理論性強，推導過程繁瑣，半導體器件結構和工作條件多樣復雜。要求學生具備扎實的“量子力學”、“固體物理”、“半導體物理”及“統計物理”等前導課程基礎知識。我校地處微電子行業欠發達地區，因為師資力量薄弱、實驗平臺落后等眾多原因，課程開設缺乏系統性、框架性，學生往往欠缺相關基礎知識儲備，知識點難以銜接，且自行彌補困難。因此合理的課程體系設置對學生有效利用課堂時間進行半導體器件工作原理的理解和掌握將非常必要。

2)半導體技術日新月異，教學內容更新滯后

隨著人們對智能化生活和生產的追求，半導體科技和產業發展日新月異，傳統硅基BJT和FET等有源器件無法滿足高頻集成電路需求。新材料、新理論、新結構的半導體器件不斷涌現，半導體器件物理內容不斷豐富擴充。如：異質結晶體管(HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、鰭式場效晶體管(FinFET)、納米線場效應晶體管(NWFET)等。目前，半導體器件物理大多實行“填鴨式”灌輸教學，學生多半被動接受知識，教學手段單一。在有限的課時內很難做到對前沿發展的動態跟進，從而使得理論知識和現實技術發展需求脫節，很難取得預期的理想教學效果，實現高素質實用型人才培養目標。

3)純理論單一教學模式的限制，學生動手實踐能力欠佳

半導體器件物理課程知識點理論性較強、晦澀難懂，同時器件結構理論、加工和測試等環節相輔相成、密不可分。然而，半導體器件制備和測試過程涉及的設備、耗材都較昂貴，耗時較長，還可能涉及強酸、強堿等危險環境。多數高校教學過程中多以公式推導、理論計算、概念分析為主，學生很難在課堂上消化理解，長此以往甚至讓學生喪失信心、失去主動學習的動力和興趣。純理論的單一教學模式，導致學生理論認識不深刻、不系統、理論知識和動手實踐脫節，具有實踐經驗和創新意識的微電子人才培養嚴重滯后。

2 “半導體器件物理”教學改革舉措

針對上述課程教學中存在的問題，通過專業知識體系建設、教學方法改進、培養模式探索等舉措，幫助學生構建系統的專業知識框架，為后續課程和科研活動夯實基礎，提高學生學習興趣和知識接受能力，為高水平、高素質、強能力的微電子人才培養奠定良好基礎。

1)系統性教學框架建設

結合微電子方向學生專業基礎知識薄弱的現狀，將遵循重視知識框架體系建設，適當降低對具體知識點的理解深度要求。教學框架結構主要包括三個方面：半導體物理基礎知識、半導體器件工藝常識、半導體器件工作機理。對半導體物理基礎知識進行梳理，包括：半導體晶體結構、原子能級和晶體能級、能帶、電子和空穴、摻雜、輸運特性、費米能級等概念。半導體器件工藝部分以MOSFET和BJT晶體管工藝流程為主線，著重介紹光刻、刻蝕、淀積、電子束蒸發等工序。半導體器件工作機理部分重點介紹傳統集成電路有源器件基本結構、載流子輸運、電氣特性參數等知識點，包括：PN結、雙極晶體管、場效應晶體管、半導體光電器件。幫助學生構建完整的半導體器件知識框架體系。

2)虛擬仿真實踐教學模式探索

由于半導體工藝耗時較長、設備價格昂貴、實驗過程涉及強酸、強堿危險環境等原因，對于半導體器件方面的實踐教學可通過虛擬仿真方式開展。具體可以采用基于Sentaurus-TCAD或Silvaco-TCAD半導體器件虛擬仿真平臺進行BJT和MOS等半導體器件的結構搭建、物理模型建立和器件特性仿真：① 基于SDE模塊的半導體器件結構建立；② 基于SDevice模塊的半導體器件物理模型建立；③ 基于Tecplot工具的數據可視化；④ 基于Inspect工具的器件特性輸出。通過虛擬仿真實踐操作演練，加深學生對器件結構、器件工作原理、器件仿真方法和流程的理解掌握，增強學生虛擬仿真實踐動手能力。

3)網絡學習平臺建設，調動學生課后學習興趣

隨著信息化、智能化應用發展，智能終端在人們生產生活中扮演了極大的作用。可建立課程網絡學習平臺，一方面為學生的課后學習提供豐富的素材，包括：HBT、HEMT、FinFET、NWFET等前沿半導體器件專題介紹；半導體物理、半導體加工、集成電路設計等上下游經典慕課視頻，虛擬仿真案例課件；另外，學生可通過在線平臺訪問仿真軟件，不受時間和地域限制地進行半導體器件仿真實踐練習。通過課后在線學習，解決課時不足的問題，讓學生掌握學科發展前沿，激發學生學習熱情和積極性，并提高了實驗平臺利用效率。

3 結語

集成電路作為電子系統神經中樞，逐漸滲透應用到電子信息各個領域，半導體器件物理作為電子科學與技術專業集成電路方向的核心基礎課程，是電子技術人才培養重點內容。通過創建系統知識框架，讓學生全面掌握半導體器件物理理論知識；通過虛擬仿真實踐教學模式，加深學生對器件物理、仿真方法和流程的理解掌握，增強學生虛擬仿真實踐動手能力；建設網絡學習平臺，調動學生課后學習興趣。在信息技術高速發展的今天，人才培養也需要與時俱進、課程教學教改實踐永遠在路上。