董可秀 嚴紅麗 周曉燁

摘 要：針對地方應用型本科高校開設《半導體器件物理》課程存在著不可忽視的局限性。結合多年的教學和管理經(jīng)驗，該文從教材的選用、教學內(nèi)容的安排、教學課件的設計、以及將半導體工藝及器件仿真軟件silvaco引入課堂和實驗教學等方式，激發(fā)學生探索熱情，加深學生對教學內(nèi)容的理解，提高課堂教學質(zhì)量，提高學生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題及自主學習的能力。同時，采用全天開放實驗室及與企業(yè)生產(chǎn)一線緊密協(xié)作等多個渠道培養(yǎng)方式，有效地培養(yǎng)了學生的專業(yè)素質(zhì)、創(chuàng)新能力及工程實踐能力。為學生將來就業(yè)奠定良好的基礎。

關鍵詞：課程 半導體器件 silvaco軟件 工程實踐

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0157-04

Abstract：According to the limitation of setting up the semiconductor device physics course in local application oriented undergraduate universities，we stimulate the students'enthusiasm for exploration，improve the quality of classroom teaching， deepen the understanding of teaching content by the appropriate selection of teaching materials， courseware design， and the introduction of the semiconductor device simulation software into the classroom and experimental.In addition，we explore a lot of channels， such as Opening laboratory throughout the day and collaborating closely with front line of production，to cultivate engineering practice ability，professionalism，innovation ability and to establish the students'future employment.

Key Words：Course；Semiconductor devices；Silvaco software；Engineering practice

電子科學與技術專業(yè)是1998年教育部為適應市場需要而確定的一個新專業(yè)，專業(yè)的設置很大程度上是為國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務的[1]。在當今信息化的社會中， 集成電路已成為各行各業(yè)實現(xiàn)信息化、智能化的基礎，無論是在軍事還是民用上都發(fā)揮著巨大作用。隨著集成電路發(fā)展的小型化、微型化，對半導體元器件的尺寸和性能要求也逐漸提高。為適應社會對人才的需求，滁州學院擬定了電子信息專業(yè)和電子科學與技術專業(yè)的不同發(fā)展方向，并在電子科學與技術專業(yè)開設了電路設計和半導體器件兩個方向，《半導體器件物理》則是兩個專業(yè)方向必選的重要專業(yè)方向課程。然而，對于由高等?？茖W校升格的地方應用型本科高校來說，開設這門課程存在著不可忽視的困難。結合筆者多年的教學和管理經(jīng)驗，文章首先闡述了地方應用型本科院?！栋雽w器件物理》課程教學面臨的主要限制，然后給出了有針對性的教學內(nèi)容和教學方法，探索在條件有限情況下保證課程教學質(zhì)量的方法。

1 課程教學面臨的主要限制

1.1 人才培養(yǎng)目標及學生知識基礎的限制

應用型本科高校人才培養(yǎng)的主要目標是提高學生的實驗能力和工程實踐能力，偏重理論的課程開設的比例較小。目標定位導致《半導體器件物理》這門課程的一些先修課程，如：量子力學、半導體物理等課程沒有開設過，造成學生知識上難以銜接。另外，相對于重點院校和一般本科院校來說，應用型高校學生的物理、數(shù)學等基礎知識相對薄弱，對深奧的理論知識的學習存在畏難和排斥心理。而《半導體器件物理》課程理論性強、物理概念抽象，物理公式多，學生學起來非常費力，因?qū)W習困難而導致學生缺乏興趣。

1.2 實驗設備數(shù)量和質(zhì)量的限制

《半導體器件物理》是一門理論和實驗并重的學科，該課程及后續(xù)開設的半導體工藝課程所需要的實驗設備投資較大，利用率低，使得專業(yè)設備嚴重不足。如實驗室晶體管特性圖示儀數(shù)量很少，只能做演示實驗。分組實驗時使用安捷倫電源表測量二極管的正向、反向電流-電壓特性。但此設備精度不高，很難測出低電壓情況下的反向電流值。

1.3 教材的限制

應用型本科高校不同于重點本科院校，也不同于高職高專院校，人才培養(yǎng)的要求在該門課程的教材選取上具體表現(xiàn)為：不能選以理論分析為主的，也不能選理論知識過于精簡、完全側重工藝和實踐的。目前的教材很少有適合這種要求的。

2 《半導體器件物理》教學內(nèi)容選取

大多數(shù)《半導體器件物理》教材內(nèi)容主要分為兩大部分：微電子器件及光電子器件，且微電子器件的材料多為第一代半導體材料Si。隨著半導體行業(yè)的發(fā)展，第二代半導體材料GaAs基和第三代半導體材料GaN基半導體功率器件逐漸成為人們的研究熱點。北京大學出版社出版的《半導體器件物理基礎》中由于新增了GaAS MESFET及GaN基高電子遷移率晶體管，被選為主要的教材[2]。但由于該教材重在數(shù)學公式的推導，對器件工作原理的闡述及工作過程的分析很少。而國外優(yōu)秀教材《半導體器件基礎》正好彌補了這個不足[3]，該教材對二極管、三極管、MoS管等微電子器件的工作原理及工作過程做了詳細的分析，更重要的是該教材循序漸進地提供了大量的MATLAB編程分析器件性能的例題和習題。MATLAB編程的能力無論對學生以后從事科研還是從事設計性工作都有很大的幫助。因此，在實際教學中，課件安排的順序依照《半導體器件物理基礎》器件介紹的順序，公式和結論均出自于該書，講解時忽略復雜公式的推導過程，主要講述物理方程的求解思路，結合國外教材對公式和結論做詳細的分析和闡述，并在每次課件的最后給出一道MATLAB編程實例或布置一道課后編程練習題。

3 教學方法設計

3.1 增加課件動畫教學的比例

《半導體器件物理》的課件一般以文字配上靜態(tài)的圖片為主，雖然二維或三維的圖片對器件結構和器件工作過程的理解有一定的幫助，但如果將更多的物理過程從靜態(tài)的圖片轉(zhuǎn)化成惟妙惟肖的動畫形式表現(xiàn)出來，則可以使學生對微觀過程印象深刻，對相關知識的理解也更加透徹。教學中如載流子的隨機熱運動及漂移運動，載流子的晶格散射、雜質(zhì)散射，載流子的復合過程，p-n結空間電荷區(qū)的形成過程，p-n結在正向電壓和反向電壓下載流子的擴散方向，雙極型晶體管放大狀態(tài)下載流子的傳輸過程，GaN基高電子遷移率晶體管二維電子氣的產(chǎn)生，MOS管在不同偏壓下的表面態(tài)形成過程，發(fā)光二極管的輻射復合等均可制作成動畫。同時在動畫的基礎上再配以形象的聲音，從視角、聽覺等不同感官刺激學生加深對知識的理解，取得良好的教學效果。

3.2 將半導體器件仿真軟件silvaco運用于教學和實驗

將仿真軟件運用于教學有助于教師的講解和學生對概念的理解。中國計量學院的唐瑩老師將版圖設計軟件L-EDIT引入半導體器件教學[4]，該軟件有利于學生對器件結構和工藝的理解，對器件內(nèi)部的物理機制沒有涉及。河南大學的向兵老師首次開發(fā)半導體器件物理MABLAB仿真平臺[5]，并運用于教學實踐。但是仿真平臺的開發(fā)需要花費大量的時間和精力，開發(fā)的數(shù)量有限且沒有工藝仿真項。

在教學中則采用Silvaco公司開發(fā)的半導體工藝及器件仿真軟件。工藝仿真不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的離子注入、擴散等工藝，還可以仿真目前較流行的光刻、外延等工藝。器件仿真涵蓋教材所涉及的各種元器件。每個仿真項目都有數(shù)十個實例，這些實例只要稍作改動即可應用于教學，節(jié)約了大量的編程時間。教師可利用節(jié)省的時間去編寫與最新研究成果相關的新程序，便于該課教學的可持續(xù)發(fā)展。

另外，仿真實例中各參數(shù)的修改非常容易，運行速度快。眾所同知：如果一個軟件運行速度慢，參數(shù)修改復雜，教師一般不會經(jīng)常在課堂上實時仿真，因為這樣會影響教學進度。通常會采用事先仿真好結果，并將仿真過程錄為動畫在課堂播放，這樣雖然也可以激光學生的興趣，但不如與學生實時互動的仿真更能激發(fā)學生的學習熱情，加深對物理過程的理解。如：教師在講授離子注入+擴散工藝進行半導體摻雜原理后，學生對雜質(zhì)濃度大小、分布、深度都沒有直觀感受，此時教師可以運行事先編好的程序讓學生看到直觀的雜質(zhì)分布圖，進而教師提出系列問題，比如哪些因素可以影響摻雜，怎么影響的？由學生展開討論提出構想（如：擴散時間，溫度、注入能量等），教師依據(jù)學生設想實時仿真，學生依據(jù)仿真結果總結規(guī)律、得出結論（如圖1所示）。這種實時互動的方式極大地提高了學生的注意力及探索的熱情。后續(xù)半導體各種元器件的物理機制、工作原理、結構及參數(shù)對器件性能的影響均加入這種師生互動模式教學。（見圖1）

將仿真軟件應用于實驗：（1）可以彌補實驗條件的不足，導致有些重要實驗無法開出。（2）通過恰當?shù)那腥朦c，激發(fā)學生探索熱情，提高學生思維的深度與廣度。（3）拓展實驗內(nèi)容，加強學生對所學知識的理解和應用。比如：在伏安法測二極管的特性曲線時，采用外接法很容易測出當電壓增大到某個值以后二極管的正向電流。當采用內(nèi)接法測二極管的反向電流時，學生均發(fā)現(xiàn)安捷倫電源表沒有示數(shù)，當問及為什么沒有數(shù)據(jù)時，學生的思維停留在直接反應上：電路不通，或儀器壞了。根本想不起課本上的反向飽和電流這個概念。教師引導學生在自主排查電路連接問題，管子好壞問題，儀器依然沒有讀數(shù)情況下，此時讓學生打開實驗室電腦，進行反向電流-電壓特性的仿真實驗（如圖2所示），學生通過對仿真結果的分析，明白了儀器測量不出讀數(shù)，是因為反向電流低于儀器的測量精度，而不是電路問題。從而使學生對反向電流的大小及產(chǎn)生的微觀物理機制有了更深的理解。在得出結論后，教師進一步拓展仿真內(nèi)容，讓學生自主探索二極管的結構和參數(shù)對器件正向、反向電流的影響。仿真實驗不僅在低實驗成本的基礎上提高了學生對知識的理解、還有利于提高學生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題及自主學習的能力。為學生將來進一步深造和從事半導體器件設計行業(yè)奠定了一定的基礎。（見圖2）

3.3 多渠道開展實踐教學

在《半導體器件物理》的教學中，由于受學時所限，不可能對每一種器件都能做深入的探索。因此，將仿真實例及matlab編程實訓內(nèi)容保存于實驗室電腦，并全天對學生開放，將實驗室作為學生第二課堂活動場所，學生可利用課余時間去實驗室學習，提高自己的理論水平和實踐技能。教師還利用學校提供的泛雅、畢博等網(wǎng)絡教學平臺，將本課程的多媒體課件、軟件、仿真實例、與課件相適應的習題及答案等上傳到網(wǎng)絡教學平臺，學生可隨時利用這些資源進行學習。同時學生還可創(chuàng)造性地將原仿真原程序稍作修改，開發(fā)出新的應用程序，為后續(xù)的課程設計、畢業(yè)設計及對將來從事設計工作奠定基礎。另外，為了突出應用型人才培養(yǎng)的目標，學校與企業(yè)建立了緊密的聯(lián)系，將該課程的一部分工藝實訓內(nèi)容安排在長電科技公司的生產(chǎn)第一線，讓學生理論聯(lián)系，進一步提高學生的工程實踐能力。

4 結語

《半導體器件物理》課程是筆者學校電子科學與技術專業(yè)的一門專業(yè)選修課程。根據(jù)地方應用型本科高校人才培養(yǎng)的目的及人才培養(yǎng)的局限性，筆者從教材的選擇、教學內(nèi)容的安排、教學方法和手段的改進、實踐教學的實施途徑等方面進行了有益的探索。通過減少復雜公式的推導，增加課件的動畫教學比例、將Silvaco仿真軟件引入教學和實驗、全天開放實驗室及與企業(yè)生產(chǎn)一線緊密協(xié)作等方式，有效地培養(yǎng)了學生的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力，提高了教學質(zhì)量。

參考文獻

[1] 王學梅，李國平.應用型電子科學與技術專業(yè)人才培養(yǎng)體系的構建研究[J].重慶電子工程職業(yè)學院學報，2012，21（3）：99-100.

[2] 曾樹榮.半導體器件物理基礎[M].北京：北京大學出版社，2002.

[3] Donald A.Neamen，著.半導體物理與器件[M].趙毅強，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 唐瑩，李萬清.《半導體器件》課程教學的改革探索[J].重慶電子工程職業(yè)學院學報，2010，19（2）：63-65.

[5] 向兵，程秀英.基于Matlab GUI的《半導體器件物理》教學仿真平臺開發(fā)[J].實驗科學與技術，2014，12（3）：47-48.