面向產(chǎn)業(yè)發(fā)展的半導(dǎo)體物理教學(xué)改革探索

摘" 要：隨著我國經(jīng)濟水平和科技實力的快速增長，我國半導(dǎo)體領(lǐng)域面臨的科技封鎖也日益加劇。新型半導(dǎo)體的發(fā)展有望推動電子器件向小型化、智能化和柔性化轉(zhuǎn)型，拓寬其應(yīng)用場景，助力我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”?！鞍雽?dǎo)體物理學(xué)”課程在培養(yǎng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才中至關(guān)重要，但教材存在內(nèi)容滯后和教學(xué)方式單調(diào)的問題，不利于學(xué)生解決實際問題的能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。為此，文章提出在半導(dǎo)體物理教學(xué)內(nèi)容中結(jié)合新興的有機和有機無機雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體內(nèi)容，加強學(xué)生在新型半導(dǎo)體物理方面的思考，同時引入多元化教學(xué)方式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和科研潛力，以培養(yǎng)具有發(fā)散性和創(chuàng)造性思維的科技人才。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；有機半導(dǎo)體；有機無機雜化鈣鈦礦；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642；O4-4" " 文獻標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）35-0155-04

半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用極大地改善了人類生活的方方面面。芯片與計算機的發(fā)展拓寬了人類的計算與認(rèn)知邊界；［1］光伏催化等應(yīng)用提升了人類的資源利用效率；［2］照明顯示豐富了人類的生活形態(tài)；［3］傳感控制引領(lǐng)著人工智能的發(fā)展。［4］為進一步促進科技創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展，提升人民生活質(zhì)量，國家發(fā)展改革委于2020年明確提出“新基建”，面向信息、融合和創(chuàng)新三大方向，涵蓋了5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)七大領(lǐng)域。幾乎每個領(lǐng)域都涉及半導(dǎo)體材料的設(shè)計、制備和優(yōu)化。隨著我國經(jīng)濟和科技實力的快速增長，我國面臨科技領(lǐng)域，特別是半導(dǎo)體領(lǐng)域的封鎖也越來越多。新型半導(dǎo)體，包括有機半導(dǎo)體、有機無機雜化半導(dǎo)體的發(fā)展有望推動電子器件向小型化、智能化和柔性化方向轉(zhuǎn)型，［5］進一步拓寬現(xiàn)有半導(dǎo)體器件的應(yīng)用場景，助力我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的彎道超車，實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

半導(dǎo)體物理課程作為電子科學(xué)與技術(shù)、微電子技術(shù)、集成電路與集成系統(tǒng)、微電子學(xué)、材料學(xué)以及相關(guān)專業(yè)的必修課，探討半導(dǎo)體的主要性質(zhì)、半導(dǎo)體材料在熱平衡態(tài)和非平衡態(tài)下的物理過程、規(guī)律以及相關(guān)應(yīng)用，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及科學(xué)研究提供理論基礎(chǔ)，是培養(yǎng)雙碳人才的重要一環(huán)。

一、半導(dǎo)體物理教學(xué)問題

（一）教材內(nèi)容不與時俱進

高校中采用的“半導(dǎo)體物理”課程教材各不相同，其中不乏一些經(jīng)典的優(yōu)質(zhì)教材。然而，這些教材內(nèi)容基本集中在傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體材料，如硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等上，［6］關(guān)于新型半導(dǎo)體的內(nèi)容在半導(dǎo)體物理教學(xué)中涉獵較少，這不僅限制了學(xué)生對新型半導(dǎo)體的認(rèn)知，也限制了對學(xué)生視野的拓寬和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法了解當(dāng)前該領(lǐng)域的發(fā)展情況和前沿動態(tài)，學(xué)習(xí)興趣難以得到充分激發(fā)，學(xué)習(xí)效率低下。

（二）教學(xué)方式單調(diào)乏味

在日常教學(xué)中，“半導(dǎo)體物理”的授課方式基本是以理論講解、公式推導(dǎo)為主，教學(xué)方法較為死板，與實際生產(chǎn)制造、科學(xué)研究脫節(jié)，這導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)只涉及書本上的理論，對實踐幾乎一無所知，無法將所學(xué)知識和實際聯(lián)系起來，難以做到學(xué)以致用。

在此種傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的約束下，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識分析和解決實際問題的能力，也不利于培養(yǎng)具有發(fā)散性和創(chuàng)造性思維的科技人才。

二、教學(xué)改革實施方案

為培養(yǎng)雙碳人才，助力我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的彎道超車，亟須在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上對半導(dǎo)體物理課程進行教學(xué)改革。在教學(xué)內(nèi)容方面，教師在講授傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體的半導(dǎo)體物理理論基礎(chǔ)之上，結(jié)合新興的有機和有機無機雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體內(nèi)容，包括半導(dǎo)體性質(zhì)、半導(dǎo)體制造工藝、最新研究進展等，加強學(xué)生在新型半導(dǎo)體物理方面的思考。同時在教學(xué)方式方面，在傳統(tǒng)理論講解的基礎(chǔ)上結(jié)合多元化教學(xué)方式，這包括實驗與教學(xué)結(jié)合、研討會與教學(xué)結(jié)合等，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和科研潛力（如圖1所示）。

■

圖1" 半導(dǎo)體物理教學(xué)改革實施方案

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

當(dāng)前的半導(dǎo)體物理課程大多仍以傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體為核心教學(xué)內(nèi)容。硅基半導(dǎo)體作為無機材料的代表，雖然在過去幾十年中為電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，但其本身也存在一些局限性。例如，硅基材料的機械柔韌性較差，難以適應(yīng)現(xiàn)代電子產(chǎn)品對柔性和可穿戴設(shè)備的需求。此外，硅基半導(dǎo)體的制備工藝相對復(fù)雜，涉及高溫、高壓和純度要求，制造成本較高，也限制了其在大面積電子器件中的廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)進步和市場需求的變化，傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體的應(yīng)用發(fā)展逐漸遇到了瓶頸，特別是在柔性電子、可卷曲顯示屏和可穿戴設(shè)備等新興領(lǐng)域。新型半導(dǎo)體，包括有機半導(dǎo)體、有機無機雜化半導(dǎo)體的發(fā)展有望推動電子器件向小型化、智能化和柔性化方向轉(zhuǎn)型，進一步拓寬現(xiàn)有半導(dǎo)體器件的應(yīng)用場景，因此可以在半導(dǎo)體物理教學(xué)中融入新型半導(dǎo)體內(nèi)容適應(yīng)時代的發(fā)展（如圖2所示）。

■

圖2" 半導(dǎo)體物理教學(xué)內(nèi)容改革方案

1. 融合有機半導(dǎo)體

自20世紀(jì)70年代起，科學(xué)界逐漸將目光轉(zhuǎn)向有機半導(dǎo)體材料。有機共軛小分子和聚合物以其優(yōu)異的柔性、低成本的加工工藝和大面積制備的潛力，成為研究的熱點。與無機半導(dǎo)體相比，有機半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)決定了其獨特的物理性質(zhì)。它們不僅在太陽能電池、發(fā)光二極管和光電探測器等光電器件中展現(xiàn)了出色的應(yīng)用前景，還為未來的柔性電子器件帶來了新的可能性。［7］

基于這種趨勢，在現(xiàn)代半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)改革中有必要引入有機半導(dǎo)體的內(nèi)容。傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體和有機半導(dǎo)體在物理性質(zhì)上存在顯著差異，了解這些差異能夠幫助學(xué)生更好地理解不同材料的工作原理。例如，有機光電材料具有較高的電子—空穴結(jié)合能，容易形成激子（即相互束縛的中性電子—空穴對），這與無機半導(dǎo)體的自由電子和空穴行為明顯不同。此外，有機材料的能帶結(jié)構(gòu)并非連續(xù)的，而是由分離的能級——最高占據(jù)分子軌道和最低未占據(jù)分子軌道組成。因此，學(xué)習(xí)有機半導(dǎo)體中的載流子輸運機制、激子的復(fù)合與分離過程，能夠加深學(xué)生對有機光電器件工作機制的理解。

同時，有機半導(dǎo)體材料的研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用正在不斷發(fā)展，有機發(fā)光二極管已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能手機、電視顯示屏等領(lǐng)域。未來，有機半導(dǎo)體在柔性電子、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療傳感器等領(lǐng)域的潛力巨大。因此，將有機半導(dǎo)體的知識引入半導(dǎo)體物理教學(xué)，不僅可以豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，還能讓學(xué)生了解當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最新進展，培養(yǎng)其在未來工作中應(yīng)對多樣化技術(shù)挑戰(zhàn)的能力。

2. 融合有機無機雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體物理教學(xué)中，引入有機無機雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的內(nèi)容尤為重要，這類材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)和性能，已經(jīng)成為當(dāng)今光電技術(shù)研究的熱點。與傳統(tǒng)的無機半導(dǎo)體相比，有機無機雜化鈣鈦礦材料不僅具備無機材料的高載流子遷移率和優(yōu)異的光電性能，還結(jié)合了有機材料的可調(diào)性和加工靈活性，為半導(dǎo)體技術(shù)帶來新的可能性。在教學(xué)中涵蓋這些內(nèi)容，可以幫助學(xué)生深入了解現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的前沿發(fā)展，掌握未來可能主導(dǎo)光電器件領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的帶隙調(diào)控方法不同，鈣鈦礦材料能夠通過調(diào)整成分實現(xiàn)對不同光譜范圍的響應(yīng)。教學(xué)中，可以圍繞鈣鈦礦材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，講解如何通過陽離子、金屬陽離子或鹵素陰離子的變化來調(diào)整帶隙，以適應(yīng)不同的光電應(yīng)用。

在教學(xué)中，教師可以詳細(xì)講解鈣鈦礦材料的制造工藝，鈣鈦礦的低成本加工優(yōu)勢使得其與傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造方法（如CVD、PVD等）形成鮮明對比；可以介紹鈣鈦礦的溶液法制備、刮涂、噴涂和卷對卷印刷等工藝，并將其與硅基半導(dǎo)體的高溫高壓制備過程進行對比，突出鈣鈦礦的低溫、低成本、大面積制備的優(yōu)勢；可以通過演示或?qū)嶒炞寣W(xué)生參與到鈣鈦礦器件的制作過程中，理解其制備工藝的簡便性和廣闊的應(yīng)用潛力。［8］

（二）教學(xué)方式改革

在當(dāng)今科技快速發(fā)展的時代，半導(dǎo)體物理學(xué)作為支撐現(xiàn)代電子技術(shù)的重要基石，教學(xué)方式也必須與時俱進。為了培養(yǎng)具備實驗科學(xué)探索能力和高科技開發(fā)潛力的優(yōu)秀人才，教學(xué)方式改革顯得尤為重要。本研究將重點介紹兩種新型的教學(xué)方式：實驗與教學(xué)相結(jié)合以及研討會與教學(xué)相結(jié)合，旨在通過這兩種方式激發(fā)學(xué)生對半導(dǎo)體物理學(xué)的興趣，提高他們的實踐能力和創(chuàng)新思維。

1. 實驗與教學(xué)相結(jié)合

半導(dǎo)體物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，其概念和規(guī)律都是在實驗中形成的。然而，目前的理論教學(xué)缺乏對概念形成之前的認(rèn)識和實驗背景的講解，導(dǎo)致學(xué)生對概念產(chǎn)生和進化過程缺乏理解，將概念形式化，使之變得絕對化。在實驗教學(xué)中，往往只讓學(xué)生動手操作，缺乏理論分析。這種教學(xué)模式使得學(xué)生在理論學(xué)習(xí)方面表現(xiàn)出色，但在面對實際問題時卻往往缺乏理論思考能力，只能憑猜測解決問題。這導(dǎo)致了“中國教育只重視學(xué)霸不重視創(chuàng)新”的現(xiàn)象。因此，加強實驗教學(xué)對于培養(yǎng)實驗科學(xué)探索和高科技開發(fā)的優(yōu)秀人才至關(guān)重要。

許多基礎(chǔ)物理課程中的實驗項目都是基于諾貝爾獎獲得者的成果。這些實驗在總結(jié)和解釋物理規(guī)律方面作出了重要貢獻，有些甚至開辟了新的研究領(lǐng)域，推動了科技的發(fā)展，開啟了新的研究方向或衍生了新的產(chǎn)業(yè)。教師在講解特定的半導(dǎo)體物理概念時，例如晶體管、隧道效應(yīng)、量子效應(yīng)等，可以結(jié)合相應(yīng)的諾貝爾獎實驗，詳細(xì)介紹這些實驗的背景、過程和結(jié)果。例如，講解晶體管時，深入介紹巴丁、肖克利和布喇頓的工作，分析他們在貝爾實驗室的研究過程?？梢栽O(shè)計模擬實驗來演示晶體管的基本工作原理，或展示約瑟夫松效應(yīng)的基本現(xiàn)象。通過動手操作，學(xué)生可以更好地理解實驗背后的物理原理，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維。

復(fù)現(xiàn)教材中的實驗內(nèi)容不僅為學(xué)生提供了了解當(dāng)時科學(xué)家為何設(shè)計這些實驗的機會，使他們明確物理概念和規(guī)律的產(chǎn)生和演變過程，還為學(xué)生提供了豐富的素材和實踐機會，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識。本科生和研究生的半導(dǎo)體物理教學(xué)實驗可以涵蓋P-N結(jié)、晶體管特性、霍爾效應(yīng)、光電效應(yīng)等基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理知識。另外可以借助學(xué)院的優(yōu)勢平臺，在講授理論的同時，通過操作實驗設(shè)備，包括用于制備高質(zhì)量的半導(dǎo)體薄膜的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)、濺射系統(tǒng)，用于為半導(dǎo)體器件提供工作電壓的直流電源，觀察半導(dǎo)體器件的電信號變化的示波器，用于產(chǎn)生不同頻率和幅度的電信號以測試半導(dǎo)體器件的響應(yīng)特性的信號發(fā)生器。通過深入的實驗操作，結(jié)合講解和討論等教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生全面理解半導(dǎo)體物理的基本原理和應(yīng)用技術(shù)，提高他們的實踐能力和創(chuàng)新思維。這種綜合的實驗教學(xué)方式，不僅加深了學(xué)生對理論知識的理解，還培養(yǎng)了他們在實際應(yīng)用中的問題解決能力，為未來的科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2. 研討會與教學(xué)相結(jié)合

引入研討會不僅能夠豐富教學(xué)形式，還能夠通過互動、討論和批判性思維的培養(yǎng)，幫助學(xué)生更深入地理解復(fù)雜概念、技術(shù)以及前沿發(fā)展。通過選取前沿?zé)狳c課題，在有限的課時內(nèi)展開研討，不僅能加深學(xué)生對半導(dǎo)體物理知識的掌握，拓寬他們的學(xué)術(shù)視野，還能提升教學(xué)內(nèi)容的實際應(yīng)用價值。

首先，教師需結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計與半導(dǎo)體物理相關(guān)的一系列前沿問題。以PN結(jié)的教學(xué)為例，教學(xué)目標(biāo)可能包括理解PN結(jié)的形成過程，掌握PN結(jié)的空間電荷區(qū)和能帶結(jié)構(gòu)，理解其單向?qū)щ娦砸约癐-V特性，掌握半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)理論。基于此，教師可以列出前沿課題供學(xué)生研討，例如探討PN結(jié)在發(fā)光二極管和太陽能電池中的工作原理及其對器件性能的影響，或者分析新型半導(dǎo)體材料在LED和太陽能電池中的應(yīng)用和表現(xiàn)。其次，通過布置大作業(yè)的形式，推動學(xué)生自主研究。學(xué)生可利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱相關(guān)文獻，特別是近年來的外文研究，分析當(dāng)前領(lǐng)域的技術(shù)趨勢和難點，形成綜述并制作PPT。這樣不僅能培養(yǎng)學(xué)生的獨立學(xué)習(xí)能力，還能促使他們將理論與實際應(yīng)用結(jié)合，更好地理解前沿技術(shù)。最后，通過課堂上的“口頭報告”形式，促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)與互動討論。學(xué)生需在課堂上以報告形式深入講解所選課題，剖析前沿技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)。報告不僅要涵蓋教科書中的基礎(chǔ)理論，還需拓展至前沿研究領(lǐng)域，能夠回應(yīng)學(xué)生的提問。教師在研討會中需進行實時控場，凝練學(xué)生匯報的知識要點，指出學(xué)生在討論過程中偏離主題或出現(xiàn)錯誤理解等問題，確保課堂研討會高效互動。這一環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生以批判性視角審視學(xué)術(shù)問題，鍛煉他們的表達和溝通能力，并通過互動討論加深對課程內(nèi)容的理解。

三、結(jié)語

“半導(dǎo)體物理學(xué)”課程在培養(yǎng)半導(dǎo)體技術(shù)、微電子科學(xué)與工程方向的技術(shù)人才中具有至關(guān)重要的作用。然而，由于其理論深奧、物理模型抽象的特點，對教師和學(xué)生提出了較高的要求。因此，為有效地教授和學(xué)習(xí)該門課程，有必要對“半導(dǎo)體物理學(xué)”課程的教學(xué)方法進行改革和創(chuàng)新。

為了解決上述問題，本研究從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式兩方面提出教學(xué)改革實施方案，將有機半導(dǎo)體、有機無機雜化半導(dǎo)體融入半導(dǎo)體物理教學(xué)，實驗與教學(xué)相結(jié)合、研討會與教學(xué)相結(jié)合。通過以上教學(xué)改革實施方案的落實，可以更好地解決半導(dǎo)體物理教學(xué)中存在的問題，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，為半導(dǎo)體行業(yè)和科技發(fā)展培養(yǎng)更多的高素質(zhì)人才。

參考文獻：

［1］ Fred T. Mind Children： The future of robot and human intelligence by hans moravec（review）［J］. Leonardo，1991，24（02）：242-243.

［2］ X Chen，C Li，M Grtzel，et，al. Nanomaterials for renewable energy production and storage［J］. Chemical Society Reviews，2012，41（23）：7909-7937.

［3］ Schubert E F，Kim J K. Solid-state light sources getting smart［J］. Science，2005，308（5726）：1274-1278.

［4］ Neethirajan S. Artificial intelligence and sensor technologies in dairy livestock export： Charting a Digital Transformation［J］. Sensors，2023，23（16）：7045.

［5］ Berggren M，Richter A D. Organic Bioelectronics［J］. Advanced Materials，2007，19（20）：3201-3213.

［6］ 張強，郝潤芳，菅傲群，等. 半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)改革的探索與實踐［J］. 物理通報，2021（11）：25-27.

［7］ Chow P C Y， Someya T. Organic photodetectors for next-generation wearable electronics［J］. Advanced Materials，2020，32（15）：e1902045.

［8］ Zhao X， Tan Z K. Large-area near-infrared perovskite light-emitting diodes［J］. Nat. Photonics，2020，14（04）：215-218.

（責(zé)任編輯：張若琂）

基金項目：2024年度國家自然科學(xué)基金“基于預(yù)成核團簇的高性能涂布印刷鈣鈦礦發(fā)光薄膜與器件”（項目編號：52403327）。

作者簡介：楊潔（1989—），女，博士，南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院副教授，研究方向為光電材料與器件。