“半導(dǎo)體物理”課程教學(xué)改革

張俊舉，張益軍，高建坡，王利平

（南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210094）

0 引言

教育部實(shí)施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在培養(yǎng)造就創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)。2012年，我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)被確定為“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)。

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)針對(duì)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求，對(duì)專業(yè)課程內(nèi)容進(jìn)行了改革，把課程理論與實(shí)踐的聯(lián)系提到了突出的位置，壓縮了專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)時(shí)間，增加了企業(yè)實(shí)踐內(nèi)容，適當(dāng)刪減了一些相對(duì)陳舊、工程實(shí)踐應(yīng)用少的內(nèi)容。

作為我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，“半導(dǎo)體物理”也相應(yīng)進(jìn)行了教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增補(bǔ)了教學(xué)與實(shí)踐的聯(lián)系，構(gòu)建了“知識(shí)講授、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、綜合實(shí)驗(yàn)、科研訓(xùn)練、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、企業(yè)實(shí)踐”六位一體的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)模式，突出對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)［1］。

1 “半導(dǎo)體物理”教學(xué)現(xiàn)狀

自20世紀(jì)中葉起，半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展方興未艾，衍生出了表面物理、材料科學(xué)、納米科學(xué)等眾多子學(xué)科和交叉學(xué)科，推動(dòng)了像半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)、納米材料等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，受到了愈來愈多的重視?！鞍雽?dǎo)體物理”課程主要研究半導(dǎo)體原子狀態(tài)和電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子過程，是“光電器件”、“半導(dǎo)體器件原理”、“集成電路設(shè)計(jì)”、“集成電路工藝”、“真空電子器件”等課程的基礎(chǔ)。該課程理論性強(qiáng)，涉及知識(shí)面廣，一直存在“教師難教，學(xué)生難學(xué)”問題，其教學(xué)現(xiàn)狀主要體現(xiàn)為：

1）基礎(chǔ)知識(shí)要求高

“半導(dǎo)體物理”課程包含很多理論闡述和推導(dǎo)，需要學(xué)習(xí)者具有良好的數(shù)學(xué)、量子力學(xué)、固體物理、統(tǒng)計(jì)力學(xué)與熱力學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)［2］。但是，包括我校在內(nèi)的大部分工科院校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)目前都取消了“量子力學(xué)”、“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”與“熱力學(xué)”課程，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的前導(dǎo)知識(shí)，就直接進(jìn)入半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)。因此，加大了教師教學(xué)難度，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力［3］。

2）教學(xué)模式單一

目前“半導(dǎo)體物理”教學(xué)基本采用“教師講學(xué)生聽”的模式，由于該課程闡述的大部分都是微觀物理結(jié)構(gòu)、微觀物理現(xiàn)象和微觀物理理論推導(dǎo)，這些知識(shí)抽象枯燥，如果只是采取單純的“教師講學(xué)生聽”模式，缺少教師和學(xué)生之間的互動(dòng)，無形中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度［4］。長期采用這種教學(xué)方法，不利于帶動(dòng)學(xué)生的探索精神，學(xué)生獲得的知識(shí)僅限于課本知識(shí)，也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3）學(xué)生認(rèn)識(shí)偏差

目前，工科院校學(xué)生中大多有重技術(shù)輕理論的思想，具體到電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，非常重視電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的提高，往往忽略半導(dǎo)體物理理論的學(xué)習(xí)。這使學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理”的積極性不高［5］。

針對(duì)這些問題，很多高校教師結(jié)合自身教學(xué)情況，提出了很多有效的教學(xué)方法，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果［6］。其中，文獻(xiàn)［7］提出了基于研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)工作能力。文獻(xiàn)［8］提出了啟發(fā)式教學(xué)思路，采取不斷提問題的方式，環(huán)環(huán)相扣，引起學(xué)生的興趣。

2 “半導(dǎo)體物理”的教學(xué)改革措施

綜合考慮了半導(dǎo)體物體的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了如圖1所示的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)培養(yǎng)流程。

1）優(yōu)化與整合課程教學(xué)內(nèi)容

圖1 半導(dǎo)體物理教學(xué)培養(yǎng)流程

“卓越計(jì)劃”要求總的教學(xué)目的是增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，而壓縮專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)數(shù)和增加企業(yè)實(shí)踐方面的學(xué)時(shí)數(shù)都是以此為目的采取的措施。針對(duì)“半導(dǎo)體物理”教學(xué)學(xué)時(shí)的壓縮，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合與優(yōu)化。首先理清與前導(dǎo)課程“固體物理”的重疊內(nèi)容。晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)、緊束縛近似、近自由電子近似、準(zhǔn)動(dòng)量、有效質(zhì)量等都是“固體物理”的重要教學(xué)內(nèi)容，常見的教材也會(huì)安排1-2章來回顧這部分內(nèi)容。因?yàn)椤肮腆w物理”和“半導(dǎo)體物理”課程教學(xué)時(shí)間靠得很近，因此可通過復(fù)習(xí)回顧快速完成這部分內(nèi)容。其次，制定了與后續(xù)課程“半導(dǎo)體器件原理”的銜接方案。“半導(dǎo)體器件原理”主要討論雙極晶體管、金屬-氧化物-半導(dǎo)體晶體管等，在“半導(dǎo)體物理”教授過程中，可適當(dāng)介紹pn結(jié)與雙極晶體管、MIS結(jié)構(gòu)與金屬-氧化物-半導(dǎo)體晶體管的關(guān)系，這可以引起學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)學(xué)習(xí)的重視，并再次強(qiáng)化pn結(jié)等知識(shí)教學(xué)。最后，結(jié)合我校的半導(dǎo)體工藝線，可以讓學(xué)生很好地理解pn結(jié)的制備過程。結(jié)合樣品厚度一定時(shí)的少子擴(kuò)散規(guī)律和pn結(jié)正向偏置的伏安特性，可以很好地解釋NPN管電流放大的本質(zhì)原因是P區(qū)少子擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于基區(qū)厚度，其放大系數(shù)取決于兩者的比值。

通過教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合，既保持了教學(xué)內(nèi)容的延續(xù)性，又防止了教學(xué)知識(shí)斷層；同時(shí)強(qiáng)化pn結(jié)等知識(shí)教學(xué)，進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)了與工程實(shí)踐相關(guān)的內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容上擬實(shí)現(xiàn)三個(gè)結(jié)合，即“半導(dǎo)體經(jīng)典理論與當(dāng)代半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展相結(jié)合”、“課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合”、“工程實(shí)踐能力培養(yǎng)與基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)相結(jié)合”。

2）改革教學(xué)方法和教學(xué)手段

在教學(xué)手段上，依托我校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)，建立了該課程的課件講義、習(xí)題測驗(yàn)和補(bǔ)充資料的體系。采取“以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”的啟發(fā)式教學(xué)方式，有效地改變了學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理”的畏懼心理并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。我們?cè)O(shè)計(jì)了互動(dòng)環(huán)節(jié)，通過啟發(fā)式教學(xué)方法進(jìn)行理論知識(shí)講授，使學(xué)生掌握半導(dǎo)體能帶、電子狀態(tài)和空穴、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、費(fèi)米分布、平衡載流子濃度、載流子輸運(yùn)、非平衡載流子和pn結(jié)等知識(shí)。同時(shí)，加強(qiáng)熱電效應(yīng)、載流子輸運(yùn)、pn結(jié)、少子壽命等實(shí)驗(yàn)或配套的實(shí)踐活動(dòng)。還利用三維圖形設(shè)計(jì)軟件（3Dmax），設(shè)計(jì)了金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)、纖鋅礦結(jié)構(gòu)等常見半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)及其原子結(jié)合過程，設(shè)計(jì)了雜質(zhì)能級(jí)在晶體中的形成過程、空穴的形成過程、類氫模型對(duì)電子的束縛、電場作用下電子和空穴的運(yùn)動(dòng)、非平衡載流子的擴(kuò)散和pn結(jié)接觸過程等。我們通過將動(dòng)態(tài)圖、三維圖、視頻等多媒體技術(shù)引入到“半導(dǎo)體物”理課程的教學(xué)中，運(yùn)用動(dòng)態(tài)、直觀描述和演示晶體微觀結(jié)構(gòu)、載流子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)等物理概念和規(guī)律。圖2和3給出了正向和反向偏置時(shí)pn結(jié)的瞬態(tài)畫面。

圖2 正向偏置時(shí)的pn結(jié)

圖3 反向偏置時(shí)的pn結(jié)

3）工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)

構(gòu)建“知識(shí)講授、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、綜合實(shí)驗(yàn)、科研訓(xùn)練、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、企業(yè)實(shí)習(xí)”六位一體的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)模式，突出對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)。

通過“半導(dǎo)體物理”課堂教學(xué)、半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)、光電子／微電子綜合實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、企業(yè)實(shí)習(xí)和科研訓(xùn)練，全面培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)涉及到脈沖光電導(dǎo)法測試少子壽命、四探針測試電阻率和方塊電阻、半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)測試等。光電子／微電子綜合實(shí)驗(yàn)利用光電工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的半導(dǎo)體工藝線自行設(shè)計(jì)和制造二極管，生產(chǎn)實(shí)習(xí)主要完成光電池的設(shè)計(jì)和制造。企業(yè)實(shí)習(xí)主要是到南京電子器件研究所（55所）、中電光伏、長江電器集團(tuán)微電子公司，實(shí)習(xí)內(nèi)容包括GaAs半導(dǎo)體材料的生長，微波集成電路的設(shè)計(jì)、制造、測試與封裝，光電池的設(shè)計(jì)、制造、測試與封裝等?？蒲杏?xùn)練主要根據(jù)科研項(xiàng)目擬定題目，讓學(xué)生通過參與到科研過程中，深入了解半導(dǎo)體物理的各種理論與實(shí)踐知識(shí)。例如，科研訓(xùn)練題目《GaAsP光電陰極體材料的光電性質(zhì)計(jì)算研究》綜合運(yùn)用了過剩載流子、擴(kuò)散與漂移等多方面知識(shí)。

3 結(jié)語

通過優(yōu)化與整合“半導(dǎo)體物理”教學(xué)內(nèi)容，既保持教學(xué)內(nèi)容的延續(xù)性，又防止教學(xué)知識(shí)斷層；同時(shí)強(qiáng)化pn結(jié)等知識(shí)教學(xué)，進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)與工程實(shí)踐相關(guān)的內(nèi)容。同時(shí)改革教學(xué)方法和教學(xué)手段，有效地改變了學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理”的畏懼心理并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。通過半導(dǎo)體物理課堂教學(xué)、半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)、光電子／微電子綜合實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、企業(yè)實(shí)習(xí)和科研訓(xùn)練，全面培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。這些教學(xué)改革措施，讓學(xué)生對(duì)“半導(dǎo)體物理”學(xué)習(xí)的興趣和積極性大大增加。

同時(shí)提高了學(xué)生綜合利用知識(shí)的能力，強(qiáng)化了對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)。