半導(dǎo)體器件物理課程的基本理論創(chuàng)新與教學(xué)實(shí)踐

揣雅惠 白昱 岳丹 母一寧 劉春陽

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?半導(dǎo)體器件物理作為電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中的基礎(chǔ)專業(yè)課程之一，該課程教學(xué)質(zhì)量的高低直接影響高等院校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。所以，教師在開展教育教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)該以地方性本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，深入分析該學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中存在的問題，并以此為基礎(chǔ)制定具有針對(duì)性的教學(xué)策略，才能在調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，幫助學(xué)生加深對(duì)半導(dǎo)體器件物理知識(shí)理解和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神的全面提升。主要就半導(dǎo)體器件物理課程的基本理論創(chuàng)新與教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了分析探討。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?電子科學(xué)與技術(shù);半導(dǎo)體器件物理;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2021）06-0148-02

半導(dǎo)體器件物理課程既是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，更是當(dāng)今迅速發(fā)展的IC芯片的關(guān)鍵。由于該課程中針對(duì)半導(dǎo)體物理特性與相關(guān)器件的闡述涉及的內(nèi)容繁多，物理概念抽象，而且需要推導(dǎo)的公式很多，所以是一門集理論性與實(shí)踐性相結(jié)合的專業(yè)化課程。該課程作為高校電子科學(xué)與技術(shù)、光電信息科學(xué)、工程專業(yè)以及應(yīng)用物理專業(yè)的核心必修專業(yè)課程，不但具有突出的理論性、實(shí)踐性、前沿性和科研性特點(diǎn)，而且其教學(xué)效果對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的形成、就業(yè)以及未來發(fā)展有著決定性的影響。所以，各個(gè)高校必須緊跟時(shí)代發(fā)展的腳步積極推動(dòng)半導(dǎo)體器件物理教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，才能培養(yǎng)出符合企業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型與創(chuàng)新型人才。

一、半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一）課程難度較大

半導(dǎo)體器件物理長(zhǎng)期以來都是教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。由于該課程包括大量的理論闡述與推導(dǎo)內(nèi)容，要求學(xué)生必須具備良好的數(shù)學(xué)、物理、量子力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，才能確保該課程教學(xué)活動(dòng)的順利開展。但是由于受到學(xué)生基礎(chǔ)薄弱等因素的影響，教師在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)生也無法完全掌握，因此也在一定程度上增加了教師的難度，導(dǎo)致基礎(chǔ)能力薄弱的學(xué)生無法跟上教師教學(xué)的節(jié)奏，制約了教學(xué)質(zhì)量和效果的有效提升。

（二）教學(xué)模式單一

半導(dǎo)體器件物理采用以知識(shí)傳授為主的授課方法，不但涉及很多微觀物理結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象，而且因?yàn)橹R(shí)點(diǎn)過于枯燥抽象，挫傷了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，影響了學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)和理解知識(shí)的難度。所以，教師在開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和要求，合理運(yùn)用多媒體、視頻、實(shí)踐教學(xué)等手段豐富課堂教學(xué)的內(nèi)容，然后開展分組課題討論、專題講座等方式，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索和學(xué)習(xí)知識(shí)。

（三）學(xué)生參與度低

由于受到半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)難度較大等原因的影響，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)都出現(xiàn)了參與度普遍偏低的問題。針對(duì)這一問題，教師在開展課程教學(xué)活動(dòng)時(shí)，要求學(xué)生不但要充分重視課堂教學(xué)開始前的知識(shí)預(yù)習(xí)工作，而且應(yīng)在課堂教學(xué)結(jié)束后，根據(jù)教師講解的知識(shí)點(diǎn)，鞏固課堂教學(xué)的知識(shí)，然后采用隨堂測(cè)試的教學(xué)方法，檢驗(yàn)學(xué)生重點(diǎn)知識(shí)掌握的情況，以便于教師及時(shí)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化。

二、半導(dǎo)體器件物理教學(xué)改革措施

（一）依據(jù)學(xué)生特征，優(yōu)化大綱設(shè)計(jì)

由于半導(dǎo)體器件物理課程具有內(nèi)容較難的特點(diǎn)，如果教師仍然采用傳統(tǒng)的理論教學(xué)、填鴨式灌輸抽象概念、死記硬背公式的教學(xué)方法，不僅無法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程知識(shí)的積極性和主動(dòng)性，還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生嚴(yán)重的抵觸情緒，影響該課程教學(xué)質(zhì)量和效果的提升。所以，高校教師應(yīng)該根據(jù)本課程的特點(diǎn)以及學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際情況，從以下幾方面著手，積極進(jìn)行教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新。首先，為學(xué)生留出一定學(xué)時(shí)，要求學(xué)生了解晶體結(jié)構(gòu)、周期性結(jié)構(gòu)等知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識(shí)，為學(xué)生后期學(xué)習(xí)物理與器件課程的知識(shí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，教師必須在學(xué)生學(xué)習(xí)具體器件的知識(shí)時(shí)，摒棄教材中瑣碎且理解難度較大的知識(shí)點(diǎn)，將“器件結(jié)構(gòu)→能帶結(jié)構(gòu)→載流分布→載流子運(yùn)動(dòng)→電流電壓特性”作為教學(xué)活動(dòng)開展的主線，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課程教學(xué)中出現(xiàn)的雙極性晶體管、PN結(jié)、MOSFET、金屬半導(dǎo)體接觸等器件，按照從結(jié)構(gòu)帶動(dòng)理論的思路，幫助學(xué)生加深對(duì)器件特性的理解和認(rèn)識(shí)。此外，教師在開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)該盡可能使用淺顯易懂的語言，降低學(xué)生理解和掌握知識(shí)的難度。

（二）優(yōu)化整合課程教學(xué)內(nèi)容

由于通常所使用的半導(dǎo)體器件物理的教材和它的先修課程半導(dǎo)體物理在內(nèi)容上有所重疊，因此，針對(duì)這一情況，教師應(yīng)該在積極優(yōu)化和改進(jìn)傳統(tǒng)授課方法的基礎(chǔ)上，認(rèn)真進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，并以此為基礎(chǔ)確定半導(dǎo)體器件物理課程的重點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)。首先，半導(dǎo)體物理知識(shí)的重點(diǎn)主要集中在晶體結(jié)構(gòu)、晶體中電子的運(yùn)動(dòng)、半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)制、半導(dǎo)體導(dǎo)電類型、平衡半導(dǎo)體和非平衡半導(dǎo)體等方面，與半導(dǎo)體器件物理前部分內(nèi)容聯(lián)系密切，需要確保半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)與半導(dǎo)體器件物理的自然銜接。其次，詳細(xì)介紹半導(dǎo)體器件基本特征與特性。教師在課程教學(xué)過程中，介紹PN結(jié)、晶體管時(shí)，應(yīng)該將PN結(jié)和晶體管結(jié)構(gòu)與能帶、電流與電壓特性等內(nèi)容作為知識(shí)講授的重點(diǎn)，才能在幫助學(xué)生加深對(duì)金屬半導(dǎo)體接觸情形等知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)的前提下，為學(xué)生后期的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)提供幫助。最后，根據(jù)實(shí)踐需求與學(xué)生工程能力培養(yǎng)的實(shí)際情況，制定半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)知識(shí)講授的策略，詳細(xì)向?qū)W生介紹半導(dǎo)體晶圓與芯片制造工業(yè)的步驟，組織學(xué)生討論如拉單晶、表面蝕刻、光刻技術(shù)等半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，幫助學(xué)生在正式進(jìn)入企業(yè)定崗實(shí)習(xí)前做好知識(shí)的儲(chǔ)備工作。通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容的深度優(yōu)化，確保課程設(shè)置的科學(xué)性與合理性，并在進(jìn)一步強(qiáng)化PN結(jié)、晶體管知識(shí)講授的基礎(chǔ)上，增加了與半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)相關(guān)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了從教學(xué)內(nèi)容上將半導(dǎo)體經(jīng)典理論與工業(yè)發(fā)展緊密融合、課堂教學(xué)與工藝實(shí)踐相互融合、基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)與學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合的一體化的固體與半導(dǎo)體物理課程教學(xué)體系，促進(jìn)了學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)效果的有效提升。

（三）教材講義內(nèi)容需要結(jié)合教學(xué)特色

由于半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)與普通的物理類或者電科類專業(yè)課程教學(xué)存在著很大的差異，所以很多高校在開展課程教學(xué)時(shí)，都出現(xiàn)了適用教材較少的情況。雖然半導(dǎo)體器件物理方面的教材內(nèi)容非常詳實(shí)且分析得透徹入理，但是由于這些教材不但內(nèi)容多，而且涉及的知識(shí)面較深，再加上教材中的數(shù)學(xué)計(jì)算、推導(dǎo)復(fù)雜程度較高，也在一定程度上增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。為了徹底解決這一問題，教師在選擇以半導(dǎo)體器件為主的教材時(shí)，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際情況，編寫教學(xué)講義供學(xué)生參考和使用。在教學(xué)講義編寫的過程中，應(yīng)該盡可能根據(jù)本校情況修改教材中的內(nèi)容，重點(diǎn)向?qū)W生講授教學(xué)主線中涉及的開關(guān)特性、非均勻摻雜等知識(shí)點(diǎn)，充分發(fā)揮自編教學(xué)講義的特點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

（四）培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神

教師在開展半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)時(shí)，應(yīng)該充分發(fā)揮理學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室與專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生設(shè)置具有針對(duì)性的半導(dǎo)體器件物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這就要求教師在開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)應(yīng)該將專業(yè)實(shí)驗(yàn)納入半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)中，例如二極管開關(guān)特性實(shí)驗(yàn)、雙極型晶體管頻率響應(yīng)、放大特性實(shí)驗(yàn)和MOSFET開關(guān)實(shí)驗(yàn)，也可以搭建集成電路器件以及工藝設(shè)計(jì)模擬平臺(tái)，使學(xué)生在理論理解以及實(shí)踐過程中充分發(fā)揮應(yīng)用性與創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)實(shí)踐應(yīng)用與創(chuàng)新能力。要求學(xué)生在明確實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)操作的過程中，檢驗(yàn)自身對(duì)半導(dǎo)體器件物理知識(shí)的掌握情況。經(jīng)過這樣的實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生不但掌握了半導(dǎo)體器件的特性測(cè)量和基本電路測(cè)量的方法，熟悉了origin繪圖軟件與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的相關(guān)方法，而且加深了對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光原理、光伏特性、非對(duì)稱整流特性等知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，拓展了學(xué)生的思維，為學(xué)生更加感性地掌握和理解與半導(dǎo)體器件物理相關(guān)的知識(shí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（五）加強(qiáng)課程微信公眾號(hào)建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)迅速發(fā)展的過程中，智能終端設(shè)備與大學(xué)生生活的聯(lián)系也越來越密切。作為高校來說，應(yīng)該通過建設(shè)半導(dǎo)體器件物理課程微信公眾號(hào)的方式，設(shè)置與半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)知識(shí)、半導(dǎo)體理論模擬計(jì)算、物理實(shí)驗(yàn)、科研就業(yè)等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的方式，充分發(fā)揮動(dòng)畫、視頻、物理實(shí)驗(yàn)等教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)，將半導(dǎo)體器件物理相關(guān)的理論知識(shí)完整地呈現(xiàn)在學(xué)生的面前。隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷豐富，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)的實(shí)際情況，合理利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的知識(shí)，沖破了時(shí)間和空間的限制，推動(dòng)學(xué)生養(yǎng)成了良好的半導(dǎo)體器件物理課程學(xué)習(xí)習(xí)慣，促進(jìn)了半導(dǎo)體物理課程教學(xué)質(zhì)量的有效提升。

（六）采用多種考核方式

傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)的半導(dǎo)體器件物理教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足新時(shí)期高校半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)的要求。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，教師在開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)，必須以教學(xué)主線為核心，采取課本講授與專題相結(jié)合的教學(xué)方式，推動(dòng)該課程教學(xué)活動(dòng)的有序開展。在考核過程中加入應(yīng)用創(chuàng)新能力的考核目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)考核模式的改革。將學(xué)生考核具體分為三個(gè)節(jié)點(diǎn)：平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)考核和期末考核。其中實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)，需結(jié)合本專業(yè)人才職業(yè)能力與素質(zhì)需求，展開實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量、問題分析與解決能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及知識(shí)掌握程度幾個(gè)維度的評(píng)價(jià)，得出學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)表現(xiàn)成績(jī)。避免因?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)手段和標(biāo)準(zhǔn)過于單一，影響半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)效果的提高。

三、結(jié)語

高校教師在開展半導(dǎo)體器件物理課程的教學(xué)時(shí)，必須緊跟時(shí)代發(fā)展的腳步，積極探索和研究該課程教學(xué)的策略和方法，才能適應(yīng)新形勢(shì)對(duì)高校半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)提出的要求。此外，高校教師應(yīng)該在深入分析半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)中存在的主要問題的基礎(chǔ)上，根據(jù)地方性院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，優(yōu)化活動(dòng)，完善特色教學(xué)內(nèi)容，并以此為基礎(chǔ)加大半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)的實(shí)踐訓(xùn)練力度，促進(jìn)學(xué)生扎實(shí)掌握基礎(chǔ)知識(shí)、工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神的全面提升，培養(yǎng)出符合社會(huì)發(fā)展需求的新能源人才。

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編輯 張 慧