摘要：半導(dǎo)體器件物理是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)高年級本科生的專業(yè)必修課程，它前承量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理、微電子工藝等課程，后啟集成電路設(shè)計(jì)、集成電路CAD、集成電路測試分析等課程。針對該課程基礎(chǔ)理論要求較高、綜合性強(qiáng)、內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，提出了幾點(diǎn)教學(xué)方法改革的思考。首先，強(qiáng)調(diào)半導(dǎo)體物理以及幾個(gè)方程的基礎(chǔ)地位，突出PN結(jié)、BJT和FET為課程重點(diǎn);其次，構(gòu)建啟發(fā)式、討論式的課堂教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，鍛煉設(shè)計(jì)思維;再次，布置仿真分析任務(wù)，借助TCAD工具加強(qiáng)對學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練;最后，結(jié)合學(xué)校開展的“本科生導(dǎo)師制”，鼓勵學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室開展器件的應(yīng)用以加深理解。通過以上幾點(diǎn)教學(xué)改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件物理;教學(xué)方法改革;引導(dǎo);實(shí)踐訓(xùn)練;教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0216-03

電子器件是電子信息系統(tǒng)的基本單元。1947年第一只半導(dǎo)體晶體管的誕生標(biāo)志著電子信息技術(shù)進(jìn)入晶體管時(shí)代。此后，半導(dǎo)體器件以及以其為基礎(chǔ)的集成電路技術(shù)得到了飛速發(fā)展。當(dāng)前，由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電子電路幾乎都已集成化，半導(dǎo)體分離器件只是在某些特殊領(lǐng)域。集成電路技術(shù)的快速發(fā)展是以半導(dǎo)體器件和微電子工藝為基礎(chǔ)的，要求半導(dǎo)體器件不斷更新，以滿足小尺寸、高性能、低功耗的要求。

半導(dǎo)體器件物理是電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的必修課程之一，是一門理論與實(shí)踐并重、綜合性很強(qiáng)的專業(yè)核心課[1]。該課程論述基于電子的微觀運(yùn)動規(guī)律的各種電子器件的工作原理，主要講授各種半導(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[2]，其核心內(nèi)容是硅微電子器件的工作原理和設(shè)計(jì)方法。在課程學(xué)習(xí)之前，學(xué)生需學(xué)習(xí)量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理、微電子工藝等課程，對固體能帶理論以及半導(dǎo)體材料（Si、Ge、GaAs等）的物理性質(zhì)有一定的認(rèn)識。該課程的目標(biāo)是讓學(xué)生了解和掌握器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)、材料參數(shù)與器件電學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、集成電路設(shè)計(jì)、集成電路CAD、集成電路版圖設(shè)計(jì)、集成電路測試分析等課程打下基礎(chǔ)。在后摩爾時(shí)代原有技術(shù)持續(xù)改進(jìn)和提升、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的大背景下，電子科學(xué)技術(shù)本科專業(yè)半導(dǎo)體器件物理課程的教學(xué)需要改革教學(xué)方法，跟上時(shí)代步伐，提高教學(xué)質(zhì)量。

一、合理安排教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化基礎(chǔ)，突出重點(diǎn)

半導(dǎo)體器件物理是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)高年級本科生的專業(yè)必修課之一。在學(xué)習(xí)該門課程之前學(xué)生需具備量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理、微電子工藝等專業(yè)課程基礎(chǔ)。這門課是后續(xù)半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、集成電路設(shè)計(jì)、集成電路CAD、集成電路版圖設(shè)計(jì)、集成電路測試分析等課程的基礎(chǔ)課程之一。

（一）回顧前序課程的相關(guān)內(nèi)容，引入相關(guān)方程和分析方法，強(qiáng)化基礎(chǔ)

教學(xué)內(nèi)容包括固體材料的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，固體和半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布，載流子的輸運(yùn)過程，低維輸運(yùn)，固體和半導(dǎo)體的熱、光、電行為。強(qiáng)調(diào)課程的基本理論是建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)之上的固體能帶理論;基本方法是求解連續(xù)性方程、電流密度方程和泊松方程，得到半導(dǎo)體內(nèi)的電場、電勢分布和載流子濃度分布[3];基本目標(biāo)是掌握半導(dǎo)體器件的外特性參數(shù)與半導(dǎo)體的材料參數(shù)、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系。共計(jì)8個(gè)學(xué)時(shí)。

（二）深入分析和講解PN結(jié)、雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管，突出課程重點(diǎn)

運(yùn)用第一部分介紹的基本方法分析PN結(jié)、BJT和FET三類基礎(chǔ)器件，每一類器件的教學(xué)時(shí)間為16個(gè)學(xué)時(shí)。PN結(jié)部分的教學(xué)內(nèi)容包括：PN結(jié)特性的定性描述和定量描述、直流特性、寄生效應(yīng)、交流小信號特性及其等效電路、開關(guān)過程及其物理實(shí)質(zhì)、擊穿模型及其定量描述。雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）部分的教學(xué)內(nèi)容包括：雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)及制造工藝、內(nèi)部載流子輸運(yùn)過程、電流放大系數(shù)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)兩種情況）、直流特性（電流-電壓關(guān)系、擊穿特性、高階效應(yīng)及安全工作區(qū)）、頻率特性和開關(guān)特性。場效應(yīng)晶體管部分的教學(xué)內(nèi)容包括：結(jié)型場效應(yīng)晶體管（Junction Field Effect Transistor，JFET）的工作原理、電流-電壓方程、直流參數(shù)和頻率參數(shù)、短溝道效應(yīng)等，半導(dǎo)體表面的特性及理想MOS（Metal Oxide Semiconductor）結(jié)構(gòu)，絕緣柵場效應(yīng)晶體管（MOS Field Effect Transistor，MOSFET）的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、制造工藝、閾值電壓及閾值電壓的調(diào)整、直流電流電壓關(guān)系、非理想效應(yīng)、擊穿電壓、熱電子效應(yīng)和輻射效應(yīng)等。

（三）輻射特殊領(lǐng)域，拓展教學(xué)知識

在保障課程的基礎(chǔ)部分和重點(diǎn)部分的教學(xué)課時(shí)前提下，根據(jù)實(shí)際剩余的教學(xué)課時(shí)量，合理拓展金屬-半導(dǎo)體接觸和異質(zhì)結(jié)、光電子器件和半導(dǎo)體功率器件等特殊領(lǐng)域，拓寬學(xué)生的知識面。

（四）加強(qiáng)課堂討論和課后訓(xùn)練，鞏固教學(xué)內(nèi)容

每次課后留2～3道思考題，督促學(xué)生在完成作業(yè)之余對這些問題進(jìn)行思考和討論，完成每章教學(xué)內(nèi)容后組織學(xué)生對相關(guān)的思考題進(jìn)行課堂討論。針對每部分教學(xué)內(nèi)容布置相關(guān)仿真分析任務(wù)，借助TCAD（Technology Computer Aided Design，半導(dǎo)體工藝模擬和器件仿真）工具加強(qiáng)對學(xué)生的課后實(shí)踐訓(xùn)練。

二、改革教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生積極性，鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)思維

（一）改革教學(xué)方法，構(gòu)建啟發(fā)式、討論式的課堂教學(xué)模式

1.改革教學(xué)理念。首先，教學(xué)的首要目的是讓學(xué)生真正學(xué)懂課程內(nèi)容，并會應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容，而不僅僅是為了期末考試取得高分?jǐn)?shù)。其次，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展極其迅速，新材料、新工藝、新器件以及新的集成方法層出不窮，教材應(yīng)該是教學(xué)參考書，應(yīng)該立足于教學(xué)參考書添加學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的最新動態(tài)，豐富教學(xué)內(nèi)容。再次，“教學(xué)”是一個(gè)互動過程，在高等教育中教學(xué)的主角應(yīng)該是學(xué)生，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，更多地教授學(xué)生學(xué)習(xí)和分析相關(guān)知識點(diǎn)的思路、思考和解決問題的方法，避免“填鴨式”教學(xué)。

2.改革課堂教學(xué)模式。課堂教學(xué)內(nèi)容主要通過多媒體課件進(jìn)行展示，輔以必要的板書。這門課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容較抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)模式容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。在每個(gè)知識點(diǎn)輔以應(yīng)用實(shí)例的講解，啟發(fā)學(xué)生參與討論并思考相關(guān)理論問題，可幫助學(xué)生盡快弄明白每個(gè)知識點(diǎn)的用處，做到目標(biāo)明確。在教學(xué)過程中穿插相關(guān)典故和行業(yè)資訊，可幫助學(xué)生緩解疲勞，增加學(xué)習(xí)興趣;穿插隨堂練習(xí)，可幫助學(xué)生當(dāng)堂鞏固相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。

3.改革教學(xué)手段。借助現(xiàn)代發(fā)達(dá)的信息技術(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)交流平臺，加強(qiáng)和學(xué)生的課外交流互動。借助TCAD工具（如Silvaco TCAD）加強(qiáng)對學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練，幫助學(xué)生建立起對注入雜質(zhì)濃度分布、電場和電勢分布等原本抽象的圖像的直觀映像。鼓勵學(xué)生積極參與本科生導(dǎo)師的相關(guān)科研項(xiàng)目，開展半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面的研究工作，加深對理論知識的理解。

（二）引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

以熱點(diǎn)問題和最新行業(yè)資訊引導(dǎo)學(xué)生主動思考半導(dǎo)體器件及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，以課后思考題引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)半導(dǎo)體器件每個(gè)知識點(diǎn)的內(nèi)容、思考相關(guān)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，拓寬知識面。通過介紹半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以及電子信息產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和機(jī)遇，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極性。

（三）除了重點(diǎn)傳授半導(dǎo)體器件的分析方法之外，注重鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)思維

分析思維和設(shè)計(jì)思維是兩條順序相反的路徑，設(shè)計(jì)比分析要難，會設(shè)計(jì)就肯定會分析。雖然本門課程的目的是讓學(xué)生掌握各種半導(dǎo)體器件的分析方法，但在教學(xué)過程中傳授學(xué)生一些基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)例訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，有利于提高學(xué)生分析半導(dǎo)體器件的能力，同時(shí)為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)課程打下基礎(chǔ)。

三、借助TCAD工具加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練

半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和特性大多是通過二維剖面圖和特性曲線進(jìn)行展示，內(nèi)容較為抽象。此外，半導(dǎo)體器件各種參數(shù)理論計(jì)算的結(jié)果往往和實(shí)際結(jié)果存在偏差，這是因?yàn)槭止び?jì)算不可能考慮所有的高階效應(yīng)，也不可能求解復(fù)雜的超越方程。在實(shí)際制作好的半導(dǎo)體器件中要觀察到內(nèi)部的雜質(zhì)濃度分布、電場和電勢分布等圖像幾乎是不可能的。TCAD工具基于有限元算法對半導(dǎo)體器件的制作工藝以及器件特性進(jìn)行模擬仿真，能夠直觀展示各種分布圖像和特性曲線，還能精確求解各種方程，使仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差極小。借助TCAD工具開展對半導(dǎo)體材料的特性分析以及半導(dǎo)體器件的工藝和特性仿真，加強(qiáng)對學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練，能夠使抽象的理論知識形象化，有利于學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和消化[4]，充分鍛煉學(xué)生對半導(dǎo)體器件的分析和設(shè)計(jì)能力。

四、鼓勵學(xué)生開展應(yīng)用，在應(yīng)用中加深對器件的理解

結(jié)合學(xué)校開展的“本科生導(dǎo)師制”，鼓勵學(xué)生積極參與導(dǎo)師的相關(guān)科研項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)室開展半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)及應(yīng)用等方面的研究，以加深理解。我校“本科生導(dǎo)師制”規(guī)定每一名高年級本科生都有選定的指導(dǎo)教師，學(xué)生應(yīng)該主動參與到導(dǎo)師的相關(guān)科研項(xiàng)目中去，這樣既能培養(yǎng)和鍛煉自己的科研能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、分析和解決問題的能力，又能把所學(xué)的專業(yè)課程應(yīng)用起來，加深對多課程內(nèi)容的理解，還能加強(qiáng)對本專業(yè)課程體系的把控，幫助自己制定職業(yè)規(guī)劃。

五、總結(jié)

半導(dǎo)體器件物理課程的目的是論述基于電子的微觀運(yùn)動規(guī)律為基礎(chǔ)的各種電子器件的工作原理，主要講授各種半導(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，其核心內(nèi)容是硅微電子器件的工作原理和設(shè)計(jì)方法。該課程是電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)一門非常重要的必修課程，內(nèi)容抽象，理論性和綜合性強(qiáng)，具有老師難教、學(xué)生難學(xué)的特點(diǎn)。另外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體器件也不斷涌現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)和新工藝，要求半導(dǎo)體器件物理課程的教學(xué)要覆蓋面廣，能跟上時(shí)代步伐。為此，提出了幾點(diǎn)關(guān)于該課程的教學(xué)方法改革的思考。首先是在強(qiáng)化基礎(chǔ)和突出重點(diǎn)的前提下拓展教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)課堂討論和課后訓(xùn)練，鞏固教學(xué)內(nèi)容。其次，改革教學(xué)方法，構(gòu)建啟發(fā)式、討論式的課堂教學(xué)模式。以熱點(diǎn)問題、最新行業(yè)資訊和課后思考題引導(dǎo)學(xué)生主動思考相關(guān)問題，通過介紹行業(yè)情況和機(jī)遇激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極性。最后，借助TCAD工具加強(qiáng)對學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練，鼓勵學(xué)生主動參與導(dǎo)師的相關(guān)科研項(xiàng)目，在應(yīng)用中加強(qiáng)對半導(dǎo)體器件的理解，同時(shí)鍛煉自己的科研能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、分析和解決問題的能力，加強(qiáng)對本專業(yè)課程體系的把控。

參考文獻(xiàn)：

[1]張麗娜，張偉，陸曉東，吳志穎.《半導(dǎo)體器件物理》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].人力資源管理，2015，（7）：200.

[2]高清運(yùn).“半導(dǎo)體器件物理”課程教學(xué)研究與探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（6）：20-21.

[3]傅興華，丁召，陳軍寧，楊健.半導(dǎo)體器件原理簡明教程[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]向兵，程秀英.基于Matlab GUI的《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)仿真平臺開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12（3）：47-48+206.

Some Considerations on the Teaching Method Reform of Semiconductor Device Physics

MA Kui

（College of Big Data and Information Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： Semiconductor Device Physics is a compulsory course for senior undergraduates majoring in electronic science and technology. It follows such courses as Quantum Mechanics， Solid State Physics， Semiconductor Physics， Microelectronics Technology， and provides foundation for the courses such as Circuit Design， Integrated Circuit CAD， and Integrated Circuit Testing Points. In view of the characteristics of this course， such as high requirement for basic theory， strong comprehensiveness and abstract content， this paper puts forward some thoughts on the reform of teaching methods. Firstly， it emphasizes the basic position of semiconductor physics and several equations， highlighting PN junction， BJT and FET as the focus of the course; secondly， it constructs a heuristic and discussion-based classroom teaching mode to guide students to think actively and exercise their design thinking; thirdly， it arranges simulation and analysis tasks， and strengthens the practical training of students with the help of TCAD tools; finally， in combination with the "undergraduate tutorial system" carried out by the university， students are encouraged to develop device applications in the laboratory in order to deepen their understanding. Through the above teaching reforms， we can improve students' learning efficiency and teaching quality.

Key words： Semiconductor Device Physics; teaching method reform; guidance; practice training; teaching quality

收稿日期：2019-08-31

基金項(xiàng)目：2019年半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部工程研究中心開放基金“基于寬禁帶半導(dǎo)體材料Ga2O3的功率器件研究”（編號：ERCME-KFJJ2019-（01））

作者簡介：馬奎（1985-），男（漢族），貴州貴陽人，博士，副教授，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體功率器件及功率集成技術(shù)。