淺談“半導(dǎo)體器件物理”教學(xué)改革

鐘英輝， 弓巧俠， 李夢(mèng)珂， 馬劉紅， 段智勇

(鄭州大學(xué) 物理學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

隨著全球信息化進(jìn)程加快，集成電路發(fā)展規(guī)模已成為衡量國(guó)家產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。近年來(lái)，中美貿(mào)易摩擦為我國(guó)帶來(lái)深刻啟示，關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防安全的核心技術(shù)必須掌握在自己手里，集成電路基礎(chǔ)研究、行業(yè)發(fā)展和專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)受到了國(guó)家和各級(jí)政府高度重視。半導(dǎo)體器件作為集成電路核心基礎(chǔ)技術(shù)，是銜接半導(dǎo)體材料和集成電路的橋梁，相關(guān)知識(shí)勢(shì)必成為電子技術(shù)人才培養(yǎng)重點(diǎn)基礎(chǔ)內(nèi)容。

“半導(dǎo)體器件物理”課程主要講授對(duì)象包括：PN結(jié)二極管、雙極晶體管(BJT)、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等，內(nèi)容涉及半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、電學(xué)特性和影響器件參數(shù)的因素等。課程教學(xué)目的是讓學(xué)生從理論和實(shí)際方面理解集成電路半導(dǎo)體器件，為集成電路工藝和設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。

半導(dǎo)體器件物理課程涵蓋知識(shí)點(diǎn)眾多、物理概念抽象、公式推導(dǎo)繁瑣，是理論性和實(shí)踐性并重的課程，同時(shí)還需結(jié)合前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)。課程教學(xué)效果與學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、就業(yè)、未來(lái)發(fā)展方向緊密相關(guān)，因此結(jié)合專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)、時(shí)代發(fā)展進(jìn)行教學(xué)改革，為國(guó)家微電子行業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才，具有重要意義。

1 “半導(dǎo)體器件物理”教學(xué)面臨的問(wèn)題

在危機(jī)中育新機(jī)，在變局中開(kāi)新局。目前，高水平半導(dǎo)體專(zhuān)業(yè)人才的缺乏是限制微電子行業(yè)發(fā)展的瓶頸，針對(duì)高校育人為本的辦學(xué)宗旨，為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)優(yōu)秀的微電子專(zhuān)業(yè)人才迫在眉睫。其中，首要的是正確認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體器件物理教學(xué)面臨的諸多問(wèn)題：

1)學(xué)生相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備不足

“半導(dǎo)體器件物理”課程涉及能帶、載流子輸運(yùn)、缺陷態(tài)等眾多物理概念，理論性強(qiáng)，推導(dǎo)過(guò)程繁瑣，半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和工作條件多樣復(fù)雜。要求學(xué)生具備扎實(shí)的“量子力學(xué)”、“固體物理”、“半導(dǎo)體物理”及“統(tǒng)計(jì)物理”等前導(dǎo)課程基礎(chǔ)知識(shí)。我校地處微電子行業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，因?yàn)閹熧Y力量薄弱、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)落后等眾多原因，課程開(kāi)設(shè)缺乏系統(tǒng)性、框架性，學(xué)生往往欠缺相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備，知識(shí)點(diǎn)難以銜接，且自行彌補(bǔ)困難。因此合理的課程體系設(shè)置對(duì)學(xué)生有效利用課堂時(shí)間進(jìn)行半導(dǎo)體器件工作原理的理解和掌握將非常必要。

2)半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，教學(xué)內(nèi)容更新滯后

隨著人們對(duì)智能化生活和生產(chǎn)的追求，半導(dǎo)體科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)硅基BJT和FET等有源器件無(wú)法滿(mǎn)足高頻集成電路需求。新材料、新理論、新結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件不斷涌現(xiàn)，半導(dǎo)體器件物理內(nèi)容不斷豐富擴(kuò)充。如：異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、鰭式場(chǎng)效晶體管(FinFET)、納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(NWFET)等。目前，半導(dǎo)體器件物理大多實(shí)行“填鴨式”灌輸教學(xué)，學(xué)生多半被動(dòng)接受知識(shí)，教學(xué)手段單一。在有限的課時(shí)內(nèi)很難做到對(duì)前沿發(fā)展的動(dòng)態(tài)跟進(jìn)，從而使得理論知識(shí)和現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展需求脫節(jié)，很難取得預(yù)期的理想教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)實(shí)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

3)純理論單一教學(xué)模式的限制，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力欠佳

半導(dǎo)體器件物理課程知識(shí)點(diǎn)理論性較強(qiáng)、晦澀難懂，同時(shí)器件結(jié)構(gòu)理論、加工和測(cè)試等環(huán)節(jié)相輔相成、密不可分。然而，半導(dǎo)體器件制備和測(cè)試過(guò)程涉及的設(shè)備、耗材都較昂貴，耗時(shí)較長(zhǎng)，還可能涉及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等危險(xiǎn)環(huán)境。多數(shù)高校教學(xué)過(guò)程中多以公式推導(dǎo)、理論計(jì)算、概念分析為主，學(xué)生很難在課堂上消化理解，長(zhǎng)此以往甚至讓學(xué)生喪失信心、失去主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。純理論的單一教學(xué)模式，導(dǎo)致學(xué)生理論認(rèn)識(shí)不深刻、不系統(tǒng)、理論知識(shí)和動(dòng)手實(shí)踐脫節(jié)，具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新意識(shí)的微電子人才培養(yǎng)嚴(yán)重滯后。

2 “半導(dǎo)體器件物理”教學(xué)改革舉措

針對(duì)上述課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，通過(guò)專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系建設(shè)、教學(xué)方法改進(jìn)、培養(yǎng)模式探索等舉措，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)框架，為后續(xù)課程和科研活動(dòng)夯實(shí)基礎(chǔ)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和知識(shí)接受能力，為高水平、高素質(zhì)、強(qiáng)能力的微電子人才培養(yǎng)奠定良好基礎(chǔ)。

1)系統(tǒng)性教學(xué)框架建設(shè)

結(jié)合微電子方向?qū)W生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱的現(xiàn)狀，將遵循重視知識(shí)框架體系建設(shè)，適當(dāng)降低對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)的理解深度要求。教學(xué)框架結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)方面：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)、半導(dǎo)體器件工藝常識(shí)、半導(dǎo)體器件工作機(jī)理。對(duì)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行梳理，包括：半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)、原子能級(jí)和晶體能級(jí)、能帶、電子和空穴、摻雜、輸運(yùn)特性、費(fèi)米能級(jí)等概念。半導(dǎo)體器件工藝部分以MOSFET和BJT晶體管工藝流程為主線(xiàn)，著重介紹光刻、刻蝕、淀積、電子束蒸發(fā)等工序。半導(dǎo)體器件工作機(jī)理部分重點(diǎn)介紹傳統(tǒng)集成電路有源器件基本結(jié)構(gòu)、載流子輸運(yùn)、電氣特性參數(shù)等知識(shí)點(diǎn)，包括：PN結(jié)、雙極晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、半導(dǎo)體光電器件。幫助學(xué)生構(gòu)建完整的半導(dǎo)體器件知識(shí)框架體系。

2)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式探索

由于半導(dǎo)體工藝耗時(shí)較長(zhǎng)、設(shè)備價(jià)格昂貴、實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿危險(xiǎn)環(huán)境等原因，對(duì)于半導(dǎo)體器件方面的實(shí)踐教學(xué)可通過(guò)虛擬仿真方式開(kāi)展。具體可以采用基于Sentaurus-TCAD或Silvaco-TCAD半導(dǎo)體器件虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行BJT和MOS等半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)搭建、物理模型建立和器件特性仿真：① 基于SDE模塊的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)建立；② 基于SDevice模塊的半導(dǎo)體器件物理模型建立；③ 基于Tecplot工具的數(shù)據(jù)可視化；④ 基于Inspect工具的器件特性輸出。通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐操作演練，加深學(xué)生對(duì)器件結(jié)構(gòu)、器件工作原理、器件仿真方法和流程的理解掌握，增強(qiáng)學(xué)生虛擬仿真實(shí)踐動(dòng)手能力。

3)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)，調(diào)動(dòng)學(xué)生課后學(xué)習(xí)興趣

隨著信息化、智能化應(yīng)用發(fā)展，智能終端在人們生產(chǎn)生活中扮演了極大的作用。可建立課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，一方面為學(xué)生的課后學(xué)習(xí)提供豐富的素材，包括：HBT、HEMT、FinFET、NWFET等前沿半導(dǎo)體器件專(zhuān)題介紹；半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體加工、集成電路設(shè)計(jì)等上下游經(jīng)典慕課視頻，虛擬仿真案例課件；另外，學(xué)生可通過(guò)在線(xiàn)平臺(tái)訪(fǎng)問(wèn)仿真軟件，不受時(shí)間和地域限制地進(jìn)行半導(dǎo)體器件仿真實(shí)踐練習(xí)。通過(guò)課后在線(xiàn)學(xué)習(xí)，解決課時(shí)不足的問(wèn)題，讓學(xué)生掌握學(xué)科發(fā)展前沿，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性，并提高了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用效率。

3 結(jié)語(yǔ)

集成電路作為電子系統(tǒng)神經(jīng)中樞，逐漸滲透應(yīng)用到電子信息各個(gè)領(lǐng)域，半導(dǎo)體器件物理作為電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)集成電路方向的核心基礎(chǔ)課程，是電子技術(shù)人才培養(yǎng)重點(diǎn)內(nèi)容。通過(guò)創(chuàng)建系統(tǒng)知識(shí)框架，讓學(xué)生全面掌握半導(dǎo)體器件物理理論知識(shí)；通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式，加深學(xué)生對(duì)器件物理、仿真方法和流程的理解掌握，增強(qiáng)學(xué)生虛擬仿真實(shí)踐動(dòng)手能力；建設(shè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生課后學(xué)習(xí)興趣。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，人才培養(yǎng)也需要與時(shí)俱進(jìn)、課程教學(xué)教改實(shí)踐永遠(yuǎn)在路上。