《半導(dǎo)體材料與器件》雙語(yǔ)教學(xué)課程內(nèi)容建設(shè)探討

葉尚輝+周舟

【摘 要】本文針對(duì)當(dāng)前大學(xué)本科教育課程體系——光電子專業(yè)的基礎(chǔ)課程，即《半導(dǎo)體材料與器件》雙語(yǔ)教學(xué)課程的內(nèi)容建設(shè)做了有益的探討，對(duì)課程內(nèi)容的構(gòu)建、內(nèi)容組織、內(nèi)容編譯提出了幾點(diǎn)做法。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體材料與器件；雙語(yǔ)教學(xué)；課程內(nèi)容

0 引言

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，對(duì)光電子專業(yè)類人才的需求也越來越大。大學(xué)教育作為培養(yǎng)人才的重要基地，承擔(dān)了越來越重要的角色；向社會(huì)輸送高素質(zhì)的人才，要求對(duì)光電子專業(yè)課程體系教學(xué)不斷更新改革，賦予其新時(shí)代的內(nèi)涵。目前，還沒有一本合適的教材能滿足這個(gè)要求。另外，在教學(xué)方法上也缺乏行之有效的方法。

1 課程內(nèi)容的構(gòu)建

半導(dǎo)體材料與器件這門課，應(yīng)該涉及到半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體器件兩個(gè)方面的內(nèi)容，現(xiàn)有的教材在內(nèi)容構(gòu)建上往往偏重半導(dǎo)體材料，或是偏重半導(dǎo)體器件，很少能兼顧兩者的材料與器件的平衡。圖1為現(xiàn)有鄧志杰等編的《半導(dǎo)體材料》的內(nèi)容構(gòu)建示意圖，明顯偏重于材料，對(duì)器件部分只做了簡(jiǎn)單的概述，如圖1所示。類似的教材還有楊樹人等編的《半導(dǎo)體材料》。由劉思科等編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》這門課則大篇幅的介紹半導(dǎo)體物理相關(guān)的知識(shí)，而對(duì)半導(dǎo)體材料涉及較少。同樣，由Dieter K. Schroder 編寫的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》則大部分內(nèi)容介紹器件特性，而對(duì)材料方面的相關(guān)知識(shí)介紹很少。同樣，佛羅里達(dá)大學(xué)的Franky So教授編著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》則側(cè)重于器件加工制備，Robert F. Pierret等編著的《Semiconductor Device Fundamentals》則側(cè)重于器件特性原理。

基于此，本人提出了全新的內(nèi)容構(gòu)建策略，該策略同時(shí)兼顧了半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體器件兩個(gè)方面的內(nèi)容。該策略結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其內(nèi)容分半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體器件兩個(gè)部分，其中半導(dǎo)體材料包含：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體，半導(dǎo)體器件部分包含三個(gè)部分的內(nèi)容，分別是器件基礎(chǔ)、二極管、三極管。

對(duì)比圖1、圖2不難看出，新編排的課程內(nèi)容更簡(jiǎn)潔、更全面。其實(shí)，現(xiàn)有材料的課程內(nèi)容編排上有很多的弊端，如知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容很相似，交叉重疊性大。如元素半導(dǎo)體，半導(dǎo)體電子材料、半導(dǎo)體光電子材料，在內(nèi)容上有很大的交疊；非晶、有機(jī)和微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體有很大的重疊，所以在新方案中將其并入摻雜半導(dǎo)體一章中來講解，而前者并入到半導(dǎo)體一章中來講解?？梢钥闯觯路桨父侠?、簡(jiǎn)潔明了。

半導(dǎo)體材料與器件這么課程，其內(nèi)容應(yīng)該包含經(jīng)典的無機(jī)半導(dǎo)體、新型有機(jī)半導(dǎo)體；器件內(nèi)容應(yīng)該包含經(jīng)典的二極管、柵控二極管、三級(jí)管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。其中，二極管的兩個(gè)重要應(yīng)用，即光伏電池、發(fā)光二極管、二極管存儲(chǔ)器件，應(yīng)該作為一個(gè)重要的章節(jié)進(jìn)行介紹。

2 課程內(nèi)容的組織

在課程內(nèi)容的組織上，按照由易到難、循序漸進(jìn)的原則，以及材料-性質(zhì)-器件應(yīng)用的原則，先編排材料體系，后編排器件體系。材料體系包含：有本征的p-型材料、n-型材料，非本征摻雜型的p-型材料、n-型材料，以及新型有機(jī)半導(dǎo)體材料，包含寬帶隙主體材料、窄帶隙材料。從材料最基本的物理特性，即電阻切入，圍繞電阻的構(gòu)成因素展開內(nèi)容，過渡到絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的概念，以及影響因素，引入到載流子濃度、摻雜、遷移率等概念，即本征的元素半導(dǎo)體向化合型、摻雜型半導(dǎo)體的思路展開。在引入材料的功函數(shù)這一概念的基礎(chǔ)上，引入接觸電阻、界面注入勢(shì)壘，沿著這一思路自然過渡到肖特基二極管，柵控二極管、三級(jí)管等基本的半導(dǎo)體器件等系列概念介紹。該課程內(nèi)容體系的組織，遵循著從基礎(chǔ)性質(zhì)到上層器件建設(shè)的原則，系統(tǒng)性、邏輯性很強(qiáng)，可以說是環(huán)環(huán)相扣，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，任何一個(gè)章節(jié)的內(nèi)容都不能落下來，以避免給后繼的內(nèi)容學(xué)習(xí)造成困難。同時(shí)，該課程也要求授課老師對(duì)課程體系的內(nèi)容有深刻的理解和清楚的認(rèn)識(shí)，做到思路清晰，講解有條有理。

3 課程內(nèi)容的編譯

依照雙語(yǔ)教學(xué)的原則，教材應(yīng)該采用全英文編寫。以往的雙語(yǔ)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，全英語(yǔ)的教材實(shí)施起來很困難，教學(xué)效果甚微，甚至比純母語(yǔ)教學(xué)的效果更差。原因很簡(jiǎn)單，部分學(xué)生的外語(yǔ)底子薄，閱讀純英文課本很困難，尤其是專業(yè)英語(yǔ)教材，碰到長(zhǎng)句、疑難復(fù)合句看不懂，專業(yè)名詞更是不懂，甚至憑借網(wǎng)絡(luò)翻譯也找不到答案。確實(shí)，專業(yè)名詞，尤其是半導(dǎo)體這門課的專業(yè)名詞的翻譯是比較少的。另外，有部分名詞是用構(gòu)詞法得到的，詞典里根本沒有收錄。這部分學(xué)生常常抱怨，中文都看不懂，還看什么英文?。〗Y(jié)果可想而知，什么都沒學(xué)到，還不如采用中文版教材教學(xué)呢。

鑒于一門新課教材全部用英文編寫的困難，可以部分章節(jié)采用中文編寫，部分章節(jié)采用英文編寫。對(duì)于構(gòu)成半導(dǎo)體學(xué)科的三個(gè)基礎(chǔ)理論，如肖特基理論、半導(dǎo)體能帶理論、半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理、擴(kuò)散理論，采用中英文對(duì)照的形式，以便于學(xué)生理解、掌握知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于半導(dǎo)體特有的五大特性，如整流效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、負(fù)電阻溫度效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和霍爾效應(yīng)，應(yīng)做詳細(xì)介紹；對(duì)于重要現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，如霍爾效應(yīng)，可以在教材中添加“知識(shí)園地”，以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、掌握知識(shí)點(diǎn)。方便學(xué)生自學(xué)。

對(duì)于半導(dǎo)體材料部分，如元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體，可以采用中文的形式撰寫。其中，元素半導(dǎo)體這一章內(nèi)容比較難，涉及到原子在固態(tài)堆積中的排列，即晶體類型、晶格、晶胞結(jié)構(gòu)等，用中文撰寫更便于學(xué)生理解。同時(shí)，配合適當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)模型，如經(jīng)典的正四面體結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)、體心結(jié)構(gòu)、六方體心結(jié)構(gòu)、八面體結(jié)構(gòu)模型，來剖析材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。并且，這部分內(nèi)容要求學(xué)生有一定的背景知識(shí)，如對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)這門課有初步的認(rèn)識(shí)。接下來的兩章，如化合物半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體，可以簡(jiǎn)化材料凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的介紹。因?yàn)檫@兩類半導(dǎo)體材料分子堆積結(jié)構(gòu)與元素半導(dǎo)體類似，只是一個(gè)衍生結(jié)構(gòu)。所以這兩章的內(nèi)容重點(diǎn)介紹化合方式以及摻雜形式。對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體，可以借鑒經(jīng)典的元素半導(dǎo)體理論，所以結(jié)構(gòu)部分可以簡(jiǎn)化，重在介紹有機(jī)半導(dǎo)體材料，包含其組成、特性與經(jīng)典的制備方法。

對(duì)于半導(dǎo)體器件部分，其器件基礎(chǔ)應(yīng)該加以重點(diǎn)介紹，對(duì)于常見的半導(dǎo)體器件特性效應(yīng)加以詳細(xì)的描述，采用地道的英語(yǔ)教材，如Arizona State University大學(xué)的Dieter K. Schroder.編寫的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》里面的第一、二、三、四章部分內(nèi)容。該教材系統(tǒng)闡述了半導(dǎo)體材料一些基本特性，如電阻率、載流子密度、摻雜、遷移率、公函、接觸電阻及界面勢(shì)壘。重點(diǎn)內(nèi)容有Schottky barrier diodes，solar cell， bipolar junction transistors， light-emitting diodes， MOSFETs。

4 結(jié)論

本文針對(duì)半導(dǎo)體材料與器件這門課程的內(nèi)容建設(shè)提出了全新的思路，重新編排了該課程內(nèi)容，優(yōu)化了課程內(nèi)容的內(nèi)涵，調(diào)整了半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體器件這兩方面的內(nèi)容比例，使內(nèi)容的組織更平衡、更合理，并對(duì)課程內(nèi)容的編譯提出了新的思路，采用中英文對(duì)照使得知識(shí)點(diǎn)的闡述更清楚、母語(yǔ)教學(xué)更便捷，這將為電子類專業(yè)課程的雙語(yǔ)教學(xué)提供新的參考。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]