《半导体物理与器件》教学改革探索

 
[摘要]：《半导体物理与器件》作为微电子技术专业的基础课程，具有知识点多且难而授课时间短等难题。在教学过程中精简内容，强调对基本概念、基本思想和基本理论方法的理解与掌握，引入Materials Studio和Silvaco TCAD模拟计算软件，培养学生探索不同半导体材料的性质和不同器件结构的性能的兴趣，并用实验测量相关器件的电学特性，理论、模拟仿真和实验相结合。培养学生的学习兴趣、创新能力和探索精神，培育并提高学生的科研能力与素质。
[关键词]：半导体物理 教学改革
 
[基金项目]：2019年度重庆大学“基于STEM教育理念的《半导体物理》跨学科课程教学改革研究与实践”（编号：2019Y21）和2019年度重庆大学光电工程学院“基于科研项目导向与兴趣驱动的光电工程本科生创新实践能力培养研究”（编号：2019J01）
[作者简介]：陈显平 1979.6.11 男 汉族 籍贯：重庆市垫江县
学历：博士研究生 正高 职务:重庆市能源互联网及智能装备协同创新中心执行主任
研究方向：1） 先进传感器与感知技术； 2 ）功率半导体器件设计、封装及可靠性；3 ）新型电子材料及器件
 
随着5G技术商用进程的加快，加之国外对高端芯片的垄断与封锁，以及华为事件为中国企业和政府敲响的警钟，半导体产业将要迎来了一次变革与发展。人才作为半导体产业的核心要素之一，对我国半导体产业长久发展至关重要，而《半导体物理与器件》作为半导体技术的基础课程，其教学效果与质量就显得尤为重要。同时半导体技术与知识不断快速更新，人才培养要求越来越高，传统的教学方式难以应付，加快相关教学改革势在必行。
 
一.“半导体物理与器件”课程教学现状与存在的问题
1.课程的教学内容多且抽象，合适的自学教材少
作为微电子技术专业的基础课程，半导体物理与器件包含了固体物理、量子力学、半导体材料物理和半导体器件物理等相关知识。其本科教学内容主要分为两部分：一是半导体材料属性，主要讨论固体晶体结构、量子力学、固体量子理论、平衡半导体、运输现象、半导体中的非平衡过剩载流子等内容；二是半导体器件基础，主要讨论pn结、pn结二极管、金属半导体和半导体异质结、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、双极晶体管等内容。[1]该课程内容具有较高的深度和广度，要求学生具有良好的相关物理理论知识基础和扎实的数学能力。然而在授课过程中，面对各种物理概念和相关模型复杂推导过程，学生在学习中常常感到课程内容抽象杂乱，抓不住重点，并随着课程的进行学生的学习兴趣与动力快速下滑，恶化教学质量。同时可供选择的相关教材要么大量涉及固体物理、量子物理和繁琐的数学推导，打消了许多基础知识薄弱或几乎没有的学生的学习和自学兴趣，要么内容太多太杂，很难分清主次，难以吸引学生自学。
2.教学方式枯燥单一，不能吸引学生学习兴趣
目前“半导体物理与器件”课程教学仍然采用教师讲解、学生听课、课后复习的模式，讲授方式也主要为板书和多媒体技术（如PPT）的组合。然而本课程内容多且较难而学时少，为了按时完成指定教学内容，教师不得不在单次课中讲解大量知识点，从而时常出现教师激情讲解、讲课PPT不停翻页、黑板上公式一个覆盖一个，而上课学生却面无表情不知所云的情况。这种枯燥单一的教学模式不仅会使上课学生感到枯燥乏味，消磨打击学习热情与兴趣，导致对课程知识点的理解不充分，相关思想不能把握，而且同样会打击授课教师的积极性，教师花费大量时间备课做PPT，规划知识讲解路径，然而课上却得不到学生们的积极反应，教学效果并不理想。
3.注重理论教学，缺乏实践与理论的结合，学生动手解决问题的能力差
正如上所说，“半导体物理与器件”课程仍然采用教师讲解、学生听课、考试考核的方式。老师的讲解通常只限于书本内容，而学生的学习也只限于老师讲解的部分，课外扩展少。书中有很多结论是通过数学公式来表示，整体抽象难以理解，而为了通过考试拿到所需的学分，部分学生就采取死记硬背的方式来应付考核，不能较为深刻的理解相关内容实践能力差。将实验仿真和科研等加入教学过程中，不仅可以增加学生对相关知识点的理解，唤起学生的学习兴趣，提高自学能力，还可以培养学生的探索精神和创新能力，丰富课堂内容。
4.学生考核及评价方式单一
在以往传统教学中，教师是评定学生成绩的唯一主体，这种评定方式具有一定局限性。只站在教师的角度去评价学生，这种方式较为片面。传统的“一考定全局”的方式普遍应用在对学生成绩的评定之中，然而这种评定方式存在一定的偶然性，并不能完全的反映出学生对所学知识整体的掌握程度以实践创新的综合能力。并且，“考试”这种传统的考核方式，仅仅能反映出学生应对考试的能力以及局限于书本内容的掌握程度，不能很好地反映出学生对书本内容以外自学知识的掌握程度以及自主创新实践能力。
 
 
二.“半导体物理与器件”课程教学改革探索
1.精简内容,突出基本知识点，整合优化教学内容和教学大纲
面对教学内容多难度大的问题，在讲授过程中应突出并加强学生对基本概念、基本思想、基本理论方法理解与掌握,精简内容,理清知识结构，强调理论与实践的结合，培养学习兴趣和自学能力。数学知识的应用在相关理论方法（如pn结小型号模型的建立）讲授中必不可少，教师可以讲解推导思路并鼓励学生自己实际推导培养学生数学应用能力。同时根据学生的学科背景，整合优化教学内容并制定相应教学大纲。“半导体物理与器件”是面向大多数理工科专业开设的基础课程, 其所研究的半导体材料物理知识和半导体器件物理是电子、电气等领域的理论基础，并且与材料科学与工程、自动化、机械工程、生物工程、计算机科学等领域的交叉及渗透[2], 这要求更多不同学科背景的学生要了解与掌握半导体物理与器件的相关知识。而传统的教材大多只是针对微电子技术专业而编写，过多涉及现代物理知识。所以编写能让更多不同专业背景广泛接受的教材很重要。  
在《半导体物理与器件》的教学中，教师应该转变传统的教学理念。将“教师灌输式地讲授，学生被动地接受”这一传统的教学方式转变成以学生为主体，教师为引导者的新型教学方式，将科学、技术、工程以及数学等诸多学科融入到《半导体物理与器件》教学中，着力于培养学生养成跨学科学习的思维模式，将被动式教学方式转变成自主探究的教学方式。将学生分为若干小组，在课堂上提出问题，小组围绕前沿科学问题展开开放式讨论，由此激发学生求知欲。例如，以光电、电气、微电子等多学科为背景，提出怎样测试半导体材料禁带宽度，怎样制备各种半导体器件等问题，然后进一步引导学生交流讨论。这种教学方式以课堂提出问题-学生课后查阅资料-分组讨论-学生课堂讲解-教师点评为主线，旨在提高师生参与学习热情，培养学生树立创新意识，培育具有创新能力的复合型人才。
 
2.引入模拟软件与实验教学，理论与实践结合，培养提高学生自学与探索创新能力
半导体物理与器件包括半导体材料和半导体器件两大内容，可以用材料模拟计算软件和器件模拟计算软件来仿真，如下面介绍的Materials Studio和Silvaco TCAD。将模拟仿真软件和实验教学加入课堂，可以培养引导学生利用工具主动探索未知的能力兴趣，锻炼学生动手能力，提升学生的科学素养。
1）半导体材料物理性质模拟
Materials Studio是ACCELRYS公司专门为材料科学领域研究者所设计的一款可运行在PC上的模拟软件，可以解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。Materials Studio支持Windows98、NT、Unix以及Linux等多种操作平台，使化学及材料科学的研究者们能更方便的建立三维分子模型，深入的分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物。Materials Studio有很多个功能计算工具，对于本课程的学习来说，只需要用到CASTEP就可以了。CASTEP是先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等。[3]通过CASTEP演示计算常见硅、锗等半导体材料的能带结构等特性及相关缺陷掺杂对其性质的影响，鼓励引导学生探索其他半导体材料（如宽禁带半导材料体碳化硅、氮化镓，超宽禁带半导体材料氧化镓、氧化铝等）的相关性质，加深学生对费米能级、导带价带等能带理论的理解，同时培养学生科研探索能力。
2）半导体器件性质模拟
为了让学生深入理解半导体器件的相关性能，可以增加TCAD（计算机仿真模拟技术）软件仿真教学内容。Silvaco TCAD是由Silvaco International开发的包含器件仿真（ATLAS）、工艺仿真（ATHENA）等功能半导体仿真软件。[4] Silvaco TCAD具有语法简单易学、图形界面易操作、例程丰富可直接调用等特点，非常适合初学者学习应用。通过ATLAS可以仿真研究器件的器件参数（如掺杂浓度、器件尺寸等）变化对电压电流的影响，获取直流、交流和瞬态情况下器件的电学参数（如电场分布、电流分布、温度分布等）。随着第三代半导体器件（如SiC MOSFET、GaN HEMT）逐渐商业化供应市场，传统的硅基半导体器件迎来了新的成员，通过ATLAS建立相关器件结构、划分网格、添加模型与参数、设置求解内容，可以让学生更深刻的理解比较不同半导体材料器件的性能差异，激发求知欲望与科学探索动力。
3）器件实验教学
仿真只是一种手段，是对理论的重现和各种模型之间相互验证，在准确的仿真基础和工艺逻辑上，可以准确预测不同结构和工艺效果，设计和优化器件。而实验是检验和验证仿真结果必不可少的一步。可以通过设置测量碳化硅二极管、MOSFET、GaN HEMT等器件的传输特性、输出特性、击穿特性等电学性能的实验，利用测量的数据和前面器件仿真模拟的结果进行比较研究，加深对模拟仿真手段的理解和书本上相关知识的应用。由于仿真模拟和实验都会产生大量的数据，在教学过程中可以介绍常用的数据处理软件，并让学生选择一个用于数据处理，例如科技论文中常用的origin软件，简单易学易上手。
通过上述的模拟仿真加实验,让学生初步掌握半导体材料与器件的探索工具和器件特性的测量方法和基本测量电路, 熟悉一款数据处理软件（如origin）, 加深对半导体知识的理解, 进一步开拓学生的思维,激发学生的自学能力和主动探索求知的精神。
 
3.优化考核方式
通过优化教学考核方式，鼓励和引导学生在整个课程中的自发学习与科学探索精神，让教学评价更加注重学生个人的科学素养、实际能力和创新精神的培养。为了考察学生对半导体物理与器件的相关基本概念、基本思想、基本理论方法理解与掌握，可以通过的期末考试的形式考核，以此加深学生对相关最基本概念理论的理解；相关半导体材料与器件的仿真与实验教学，可以让学生自由组成三个人左右的一个小组，三个人可以一起相互学习讨论Materials Studio、Silvaco TCAD使用和最后实验方案并与其它组成员交流，并通过PPT或报告的形式展示与考察。仿真与实验教学的目标是加强学生对相关知识概念的理解，鼓励学生探索创新，并设置创新奖励分数。
从学生层面出发，俗话说“师傅领进门，修行看个人”，学生的创新实践能力培养，不仅需要从培养方案、教学方法、评价方法等方向做出相应的改变，更需要培养学生树立创新意识，掌握科研实践能力。课上进行半导体物理相关课题的汇报展示活动，根据汇报表现予以相应的奖励，课下开展半导体物理项目相关的专题讲座、现场参观、网络宣传等活动，鼓励学生参与并提交活动报告，根据报告内容予以相应的评价。这些方式旨在让学生接触并了解半导体物理领域的科研项目，意识到创新能力对个人发展的重要性，尽早树立创新理念，培养实践能力，奠定创新基础。
从教师层面出发，我们实行形成性评价与终结性评价相结合的全程评价方式，在不同阶段对学生进行考核，如在结束“半导体物理”每章内容教学后，举行一次小测验，测验形式可以是考试，也可以是相关课题汇报、分组讨论等形式。平时测验成绩与期末成绩按照一定比例相结合成为学生最终成绩。这种方式可以减小一定偶然性，相对公平地对学生成绩进行评定，也可以激励学生认真学习平时每一节课，每一章内容，而不是“临时抱佛脚”式的考前突击。
从学院层面出发，首先，应建立长期激励制度，面向学生提供专项奖学金，奖学金评定标准参照学生科研成果以及参与科研活动的热情度来确定，由此从精神、物质两个方面鼓励学生参与科研活动。其次，除了对学生的考核，学院应该对教师的教学能力也进行相应的评价考核。学生创新实践能力的培养不仅需要学生主动的配合，也需要教师积极的配合。完善教师考核、绩效评定体系，引导教师参与对本科生的科研指导工作。通过学生、教师、学院三方面的协助、配合，大大提升了学生创新实践能力培养的高效性。
 
三.结束语
    以培养学生的学习兴趣、创新能力和探索精神，提升学生的自学能力，提高学生的综合科学素养为基本目标,通过半导体物理与器件的基本教学知识讲解和实践探索，开展多元化教学。让学生深入理解掌握半导体物理的基本理论知识，并可以利用相关工具（模拟仿真软件）去探索研究领域热点问题,巩固基本知识和技能,培育并提高科研能力与素养。
 
 
 
[1] Donald Neamen.《半导体物理与器件》[M].机械工业出版社, 2011.
[2] 尹康,周前能,张丽,冯世娟,戚飞,张文霞.微电子专业半导体物理课程教学改革初探[J].教育现代化,2018,5(45):50-52.
[3]吴健.Materials Studio在结构化学教学中的一些应用, 高校实验室工作研究, 2007, 93 (3) :47～48.
[4]杨征.半导体工艺流程和器件的辅助设计与仿真软件[J].电子与电脑, 2004 (z1) .
Teaching Reform of Semiconductor Physics and Devices
 Chen Xianping Tao Luqi
 Chongqing University Chongqing 400000
Abstract: Semiconductor Physics and Devices, as the basic course of microelectronics technology, has many knowledge points and difficult teaching time. streamline the content in the teaching process, emphasize the understanding and mastery of basic concepts, basic ideas and basic theoretical methods, introduce Materials Studio and Silvaco TCAD simulation computing software, cultivate students' interest in exploring the properties of different semiconductor materials and the properties of different device structures, and use experiments to measure the electrical characteristics of related devices, combining theory, simulation and experiment. Develop students' interest in learning, innovation ability and exploration skills  God, cultivate and improve students' scientific research ability and quality.