唐 瑩 ，李萬清

（1.中國計量學院 光學與電子科技學院，浙江 杭州310018；2.杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州310018）

《半導體器件》課程教學的改革探索

唐 瑩1，李萬清2

（1.中國計量學院 光學與電子科技學院，浙江 杭州310018；2.杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州310018）

針對《半導體器件》的課程特點，文章探討了如何通過使用L-EDIT軟件來改進該課程的教學方式和教學手段。在教學過程中應用L-EDIT軟件更有利于學生對半導體器件的物理原理、器件結構及制造過程這三方面知識的綜合理解和整體把握。教學實踐表明，在《半導體器件》課程教學中引入L-EDIT可以收到良好的教學效果。

教學改革；《半導體器件》；L-EDIT軟件

1 引言

《半導體器件》是高等院校微電子專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課。對于半導體器件的學習而言，任何一種半導體器件的物理原理、器件結構及其制造工藝流程都是相互融合不可分割的[1]。在《半導體器件》的教學過程中，學生對器件工作原理的講解較為容易接受，這得益于《半導體物理》等先行課程的鋪墊，然而在器件結構和相應制造工藝方面的掌握則顯得有些欠缺，尤其將器件的原理、結構與工藝三者結合起來進行考查時，常常發(fā)現(xiàn)學生難以融會貫通綜合掌握。分析其原因，一方面固然是由于半導體工藝課程的開設較晚；另一方面，則是學生普遍難以將工藝知識與器件結構兩者結合起來進行思考和學習。將半導體器件的學習與器件的制造工藝割裂，是阻礙學生熟練掌握和深刻理解半導體器件學習內容的重要因素。伴隨著微電子領域日新月異的發(fā)展，半導體器件的內容也日益豐富，課程的計劃學時相形之下十分有限，甚至顯得有些偏少。因此，如何在有限的課堂教學中，增強學生對于器件結構及相應制造工藝這一薄弱環(huán)節(jié)的學習，從而加深對器件的理解和掌握，成為《半導體器件》課程教學改革的一個重要問題。

作者結合科研經(jīng)驗對《半導體器件》課程的教學改革進行積極有益的探索，將專業(yè)制版軟件L-EDIT引入《半導體器件》的課堂教學，通過運用具體的版圖輔助講解器件的結構及對應的制造過程，不僅改進了教學方式，收到了良好的教學效果，而且有助于學生增強對專業(yè)軟件的認識及應用能力。

2 L-EDIT在半導體器件教學中的實際運用

2.1 從IC電阻引入L-EDIT

L-EDIT軟件是Tanner Research公司開發(fā)的基于Windows操作平臺的IC設計軟件工具之一，作為專業(yè)的版圖設計軟件在國內應用廣泛，具有很高知名度。簡單的講，L-EDIT就是一個版圖圖形編輯器，可以繪制、修改半導體器件與集成電路的掩膜版圖形。在使用多媒體課堂教學時，既可以使用提前繪制好的L-EDIT版圖，在講解中針對器件的結構和工藝過程，有選擇地顯示單層或多層的掩膜版圖形，也可以在課堂上當場繪制和修改，不僅教學方便，而且課堂效果良好，能有效地激發(fā)學生的學習興趣，調動學生的積極性。

然而由于學生在先導課程中未接觸到L-EDIT軟件，對于版圖設計也知之甚少，因此在教學中要充分考慮到學生的可接受性，首先從最簡單的器件引入L-EDIT，在后續(xù)課程中再逐步加深難度。最簡單的半導體器件是PN結IC電阻，結構簡單易學，選擇在PN結電阻的講解中初次引入L-EDIT軟件，相對而言學生較容易接受L-EDIT的輔助講解，通過將PN結電阻的剖面圖與對應的LEDIT版圖圖形進行對比、說明和講解，更有助于學生盡快熟悉L-EDIT軟件，從而為后繼復雜的器件結構的版圖講解墊定基礎。

圖1即為某一PN結電阻的L-EDIT版圖（a）和對應的剖面圖（b），其中深色為PN結電阻的接觸孔，淺色區(qū)域為電阻體，L是電阻體的長度，W是電阻體的寬度。為了突出重點便于講解，IC電阻的版圖圖形中省略了部分次要的掩膜圖形，相應地在剖面圖中也省略了與接觸孔對應的導電金屬層。通過對簡單條狀PN結電阻的講解，學生可以直觀、形象地了解PN結電阻的結構、尺寸參數(shù)的定義，有助于理解載流子的運動方式，考慮到絕大多數(shù)電流從接觸孔的內邊沿流出，因此電阻的計算長度并非區(qū)的擴散長度。同時對于擴散工藝也有了感性理解，有助于對器件基本工藝流程的學習和掌握。實踐表明，通過從簡單的矩形PN結電阻引入L-EDIT版圖，學生接受程度快，對器件版圖有最基礎的了解，而且學習興趣有明顯提高。

圖1 矩形PN結IC電阻的L-EDIT版圖（a）和對應的結構剖面圖（b）

2.2 運用L-EDIT巧設情境展開互動

器件的設計參數(shù)在版圖之中必然要有所體現(xiàn)，而版圖尺寸的改變相應也會對器件性能、工藝、制造成本等多方面產(chǎn)生影響。運用L-EDIT，通過設置一些情境，可以巧妙地將理論與實際相互聯(lián)結，進而在課堂上展開討論，引導學生自發(fā)探索。不妨仍以IC電阻為例展開討論，蛇形電阻是一類常見的IC電阻，如圖2所示，兩種蛇形電阻的L-EDIT版圖分別為矩形拐角和環(huán)形拐角，假設兩個蛇形電阻有相同的薄層電阻和相同的寬度以及電阻的總長度。設置思考問題如下：第一，保持和不變，如何選取和，使得電阻所占據(jù)的硅片面積達到最小？第二，矩形拐角和環(huán)形拐角對電阻值會產(chǎn)生什么影響？第三，環(huán)形拐角的半徑的變化會對電阻產(chǎn)生什么影響？第四，在版圖繪制的過程中，哪一種蛇形電阻繪制更簡單，更加容易修改，為什么？第五，在集成電路中，矩形拐角和環(huán)形拐角的蛇形電阻哪一種更常用，為什么？

圖2 蛇形電阻版圖（a）環(huán)形拐角（b）矩形拐角

硅片資源是十分昂貴的，器件所耗硅片的面積越小，成本就越低，因此在滿足性能的基礎之上，必須盡可能地節(jié)省器件的總面積，即硅片面積?？此坪唵蔚纳咝坞娮瑁趦?yōu)化其面積時要考慮的因素并不少，版圖設計與工藝直接相連，因此考慮縮小面積必須考慮電阻的擴散結深所帶來的橫向擴散寬度，同時如何選取與，使得電阻總長度不變的情形下達到最小面積。兩張版圖帶出的一系列問題，調動了學生極大的積極性，充分引起了學生探索的求知欲，課堂上不時有不同的觀點被提出，各執(zhí)己見相互爭論，任課教師只需從旁輕微的點撥、點評，盡可能地引導學生運用所學過的知識自己去尋找問題的答案。在討論問題尋找答案的過程中，將半導體器件物理與器件結構以及制造工藝有機地聯(lián)系在一起，將理論知識與生產(chǎn)實踐聯(lián)系在了一起，讓學生切身體會如何應用課本所學的理論知識來解決實際問題。運用L-EDIT設置實際應用的情境，活躍課堂氣氛的同時，也增長了學生聯(lián)系實際問題綜合應用理論知識尋找答案的能力，可謂一舉數(shù)得。

2.3 復雜器件結構的L-EDIT輔助講解

雙極型晶體管和MOS場效應晶體管是非?；竞椭匾膬煞N半導體器件，也是教材的核心內容[2]。對于這些結構較為復雜的半導體器件，適當?shù)貞肔-EDIT輔助講解器件結構，加強感性認識，十分有助于學生對學習內容的深刻理解和掌握。如圖3（a）中給出了一種類型的NPN晶體管版圖。在雙極型晶體管中，發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度由高到低變化，從物理角度解釋摻雜濃度差異的同時，還可應用L-EDIT簡單分析雙極型晶體管的工藝流程。通過版圖的順序，結合器件結構的形成步驟，學生能夠更加直觀地理解雙極型晶體管的工藝順序是在集電區(qū)上擴散形成基區(qū)，而后才在基區(qū)之上形成高濃度的發(fā)射區(qū)，進一步加深了理解，而且在后續(xù)理論內容講解數(shù)學方程時，還有助于學生將物理模型與腦海中的實體印象相結合，有利于形成整體概念。NPN晶體管的版圖結構具有多樣性，如果改變各電極的形狀與位置，器件的性能也會發(fā)生改變，圖3（b）中所給出的僅是其中一種，還有多種結構，例如垂直排布的電極、叉指狀排布的電極，等等。不同電極結構的NPN晶體管的版圖繪制以及性能探討不妨留做學生的課后思考題，鼓勵學有余力的學生進行進一步的研究探索。

圖3 （a）NPN晶體管結構示意圖；（b）L-EDIT軟件界面及一種類型的NPN晶體管版圖

教學實踐證明，利用L-EDIT版圖，可以將抽象的結構示意圖轉變?yōu)榫唧w的器件結構，將理論與實際應用相結合，更有利于進行啟發(fā)式的教學。再如，當講解MOSFET中的自對準工藝時，L-EDIT版圖能起到非常好的講授效果。講解MOSFET的等比例縮小定律時，應用L-EDIT版圖更是可以非常清晰地直觀表達。此外，根據(jù)學生掌握知識水平的不同，還可以適當應用L-EDIT開展啟發(fā)式的教學，通過設置一些難度不同的討論題目，提高學生對知識的綜合掌握和熟練運用。例如針對同種器件結構由于版圖形狀不同而產(chǎn)生的特性差異的討論，版圖與電路圖之間如何一一對應等微型論題。在 《半導體器件》的教學中，由于學時有限，因此并非每一種器件結構都需要應用L-EDIT輔助講解，要依據(jù)教學內容的需要，充分考慮課堂時間的安排，因此在應用L-EDIT講解時，往往需要有針對性地選擇幾類最典型的器件進行重點講解，避免占用過量的課堂時間而影響其他教學內容的講授。

3 結論

對于任何一種半導體器件的熟練掌握，都離不開對該器件的物理機制、幾何結構及其制造工藝的綜合理解。教學實踐表明，應用L-EDIT軟件輔助《半導體器件》的教學，有助于學生對半導體器件結構、物理原理及工藝過程的整體學習和融會理解，豐富了教學手段和教學內容，有利于激發(fā)學生的學習興趣，活躍課堂氣氛，達到了良好的教學效果，同時促進了學生對課程理論內容和行業(yè)專業(yè)軟件的主動學習。

4 致 謝

本研究工作受到下列基金資助：中國計量學院校級高教研究課題（HE200904），中國計量學院重點課程“半導體器件及其課程設計”項目（ID號：2008010），重點課程“固體物理與半導體物理系列課程”項目（ID號：2007011）以及中國計量學院引進人才科研啟動項目 (No.01101-000169)。在此一并表示誠摯的感謝。

[1][美]施敏，著.半導體器件物理與工藝（第二版）[M].趙鶴鳴,錢敏,黃秋萍,譯.蘇州：蘇州大學出版社,2004.

[2]曾樹榮.半導體器件物理基礎[M].北京：北京大學出版社,2002.

Research on Application of L-EDIT Software in Semiconductor Device Teaching

TANG Ying1,LI Wanqing2
（1.College of Optical and Electronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou Zhejiang 310018,China;2.School of Computer Science&Technology,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018,China）

Considering the feature of the curriculum of semiconductor devices,this article discusses the application of LEDIT software to improve the teaching methods.It has been proved that the application of L-EDIT software in the teaching process is more conducive to students which help the students study and comprehensive understand the knowledge of physical principles of semiconductor devices,the device structure and manufacturing process.Teaching practice showed that utilizing L-EDIT software in the course of semiconductor devices receives well teaching results.

teaching reform;semiconductor devices;L-EDIT software

G424.1

A

1674－5787（2010）02－0063－03

2009-12-18

唐瑩（1981—），女，浙江杭州人，工學博士，研究方向為微電子學與固體電子學。

責任編輯 王榮輝