葉小娟

(1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學(xué) 微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

半導(dǎo)體科學(xué)是一門發(fā)展迅猛的應(yīng)用性學(xué)科，主要集中在兩個(gè)方面的研究：一是半導(dǎo)體材料和器件的基本性能和內(nèi)在機(jī)理；二是半導(dǎo)體的工藝技術(shù)和應(yīng)用?！鞍雽?dǎo)體物理”是半導(dǎo)體專業(yè)最基礎(chǔ)、最重要的課程之一，主要介紹半導(dǎo)體材料和器件中的重要物理現(xiàn)象，闡述半導(dǎo)體器件工作的基本物理原理、各種性質(zhì)和基礎(chǔ)理論等。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在綜合國(guó)力的較量中占有非常重要的位置，關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體效益和國(guó)家安全，因此國(guó)家大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期在此關(guān)鍵領(lǐng)域爭(zhēng)得主動(dòng)權(quán)。

“半導(dǎo)體物理”作為微電子專業(yè)的重要課程之一，對(duì)于相關(guān)學(xué)科的發(fā)展以及學(xué)生專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)非常重要，然而由于這門課程內(nèi)容抽象、教學(xué)模式單一，學(xué)生在課堂上參與度不高，導(dǎo)致教學(xué)效果往往不太理想[1-3]。因此，筆者結(jié)合近幾年的教學(xué)過(guò)程，總結(jié)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行一系列的教學(xué)方法改進(jìn)：在教學(xué)過(guò)程中，引入當(dāng)今半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀以及科學(xué)前沿問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；在講授過(guò)程中，適當(dāng)拋出問(wèn)題，讓學(xué)生課下調(diào)研，提高課堂教學(xué)效率；將理論、實(shí)踐、創(chuàng)新融為一體，構(gòu)建符合現(xiàn)代工程教育的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

1 半導(dǎo)體物理教學(xué)現(xiàn)狀

南京郵電大學(xué)“半導(dǎo)體物理”課程采用的教材是劉恩科等主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》(第七版，電子工業(yè)出版社)，該教材是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)精品教材[4]。結(jié)合近年來(lái)筆者對(duì)教材的研究以及教學(xué)實(shí)踐過(guò)程的觀察，對(duì)該教材的特點(diǎn)以及教學(xué)過(guò)程中尚存在的問(wèn)題總結(jié)如下。

1.1 教材知識(shí)點(diǎn)繁多，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高

理論課程涉及的知識(shí)面非常廣，基本概念很多，理論推導(dǎo)繁雜，科學(xué)內(nèi)容深?yuàn)W，應(yīng)用性極強(qiáng)。對(duì)先修的高等數(shù)學(xué)、固體物理與量子力學(xué)有一定的要求。尤其第一、二章涉及了一部分固體物理的概念、基本理論，第三章涉及量子力學(xué)及高等數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)。學(xué)生對(duì)先修知識(shí)的掌握欠佳，深度不足，導(dǎo)致對(duì)“半導(dǎo)體物理”開(kāi)篇的銜接有些吃力，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[5]。

1.2 課程以理論講授為主，學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力欠缺

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體物理出現(xiàn)了很多新的理論和研究成果，知識(shí)體系更新較快，交叉學(xué)科更加廣泛。目前“半導(dǎo)體物理”的教學(xué)主要以理論講授為主，講解半導(dǎo)體物理的基本概念與理論，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。以科學(xué)研究引導(dǎo)學(xué)生自主研習(xí)，開(kāi)拓學(xué)生的視野，讓學(xué)生深入了解半導(dǎo)體物理發(fā)展的前沿，提升學(xué)生運(yùn)用半導(dǎo)體物理基本原理進(jìn)行半導(dǎo)體器件的性能設(shè)計(jì)的能力，是目前“半導(dǎo)體物理”教學(xué)的發(fā)展方向[6-7]。

2 教學(xué)改革初探

針對(duì)教學(xué)中的相關(guān)問(wèn)題，筆者為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，采取了一些教學(xué)思路的調(diào)整。首先，在授課過(guò)程中，引入目前半導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)科研軟件，比如Material Studio，展示如何進(jìn)行新型半導(dǎo)體材料的預(yù)測(cè)以及相關(guān)性能的調(diào)控。其次，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，在課程講授之前提出幾個(gè)相關(guān)本節(jié)課程內(nèi)容的問(wèn)題，讓學(xué)生在課下進(jìn)行調(diào)研，提高課堂上的學(xué)習(xí)效率。再次，定期安排知識(shí)拓展課，講授方式以學(xué)生為主導(dǎo)，鍛煉學(xué)生不僅要做到學(xué)會(huì)了知識(shí)，還能運(yùn)用自己的思路語(yǔ)言講清楚相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的輸入與輸出，檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行舉一反三練習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。該方法得到了大多數(shù)學(xué)生的積極參與，并得到了學(xué)校教學(xué)督導(dǎo)組專家的肯定與好評(píng)。

2.1 引入科研熱點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力

“半導(dǎo)體物理”是一門結(jié)合“半導(dǎo)體物理”以及量子力學(xué)兩門專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的課程，系統(tǒng)研究半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件結(jié)構(gòu)中的載流子分布以及運(yùn)動(dòng)?！鞍雽?dǎo)體物理”主要講授的半導(dǎo)體材料：Si、Ge、石墨等單元素半導(dǎo)體；GaAs等III-V族化合物半導(dǎo)體；ZnO等II-VI族化合物半導(dǎo)體。重點(diǎn)為IV族單元素以及III-V族半導(dǎo)體。然而隨著半導(dǎo)體領(lǐng)域的飛速發(fā)展，電子器件的微型化，對(duì)低維的新型半導(dǎo)體的需求日益增加。國(guó)內(nèi)外科研工作者采用一定手段預(yù)測(cè)各種新型半導(dǎo)體材料，并嘗試用各種實(shí)驗(yàn)手段獲得新型低維半導(dǎo)體材料，比如機(jī)械剝離法可以成功獲取二維石墨烯材料。首先，筆者擬引入相關(guān)科研研究現(xiàn)狀，拋出當(dāng)今急需解決的問(wèn)題，結(jié)合“半導(dǎo)體物理”相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生帶著需求去學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，有助于幫助學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。其次，在課堂教學(xué)中引入理論研究的材料計(jì)算軟件Material Studio，通過(guò)該軟件的導(dǎo)入，學(xué)生可以親自實(shí)踐在半導(dǎo)體中引入雜質(zhì)之后的能帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析能帶結(jié)構(gòu)，了解雜質(zhì)能級(jí)的位置，分析半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力等等。

例如，通過(guò)MS軟件可以獲得ZnO的晶體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，通過(guò)計(jì)算得出能帶結(jié)構(gòu)。我們可以嘗試采用V族元素N對(duì)晶胞中的O進(jìn)行替換，再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)。在ZnO中引入N元素替代O元素，相當(dāng)于是受主摻雜，導(dǎo)致體系內(nèi)的電子濃度降低，進(jìn)而影響能帶結(jié)構(gòu)，影響半導(dǎo)體的相關(guān)導(dǎo)電行為。從能帶結(jié)構(gòu)上可以看到，N摻雜的ZnO由于N的引入，產(chǎn)生了一定的磁性，并且能帶結(jié)構(gòu)中，靠近價(jià)帶頂?shù)奈恢?，可以分辨出雜質(zhì)能級(jí)的出現(xiàn)，即受主雜質(zhì)的雜質(zhì)能級(jí)處于接近價(jià)帶頂?shù)奈恢茫鸬浇邮茈娮拥淖饔?。通過(guò)模擬的過(guò)程，使學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體的調(diào)控加深了認(rèn)識(shí)，并掌握了一定的研究手段。N摻雜的ZnO結(jié)構(gòu)(除標(biāo)記的O和N之外的原子為Zn)如圖2所示，ZnO能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示，N摻雜的ZnO的能帶結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖1 ZnO晶體結(jié)構(gòu)

圖2 N摻雜的ZnO結(jié)構(gòu)(除標(biāo)記的O和N之外的原子為Zn)

圖3 ZnO能帶結(jié)構(gòu)

圖4 N摻雜的ZnO的能帶結(jié)構(gòu)

2.2 課題研究法調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性

在講述第二章的時(shí)候，涉及半導(dǎo)體中引入不同的雜質(zhì)，調(diào)整半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型以及導(dǎo)電能力。在課程講述之前，向?qū)W生提出問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的轉(zhuǎn)變和導(dǎo)電能力的調(diào)節(jié)，以及半導(dǎo)體中引入缺陷會(huì)發(fā)生什么結(jié)果。

在課下，學(xué)生需要分組來(lái)完成相關(guān)問(wèn)題的解答，并利用科研軟件MS 進(jìn)行簡(jiǎn)單半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及導(dǎo)電類型的計(jì)算，通過(guò)分析能帶結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)等信息，總結(jié)初探問(wèn)題的思路。在課程開(kāi)始講授時(shí)，分組匯報(bào)研究結(jié)果，再進(jìn)行匯總式講解第二章的知識(shí)要點(diǎn)。以學(xué)生調(diào)研為主導(dǎo)，課上講解為輔，增加學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解以及掌握，并熟悉一些科研手段。

2.3 反轉(zhuǎn)課堂，以學(xué)生為主導(dǎo)進(jìn)行知識(shí)拓展課講授

為了檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，針對(duì)每章節(jié)的課后作業(yè)，定期設(shè)置課后拓展課程，目的是檢查學(xué)習(xí)效果，鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力。筆者在幾年的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)過(guò)程中，采取學(xué)生主導(dǎo)的拓展課程，讓學(xué)生對(duì)章節(jié)知識(shí)進(jìn)行梳理，總結(jié)歸納，并由不同同學(xué)對(duì)課后習(xí)題以及課上練習(xí)進(jìn)行講授，鍛煉學(xué)生把所學(xué)知識(shí)能夠準(zhǔn)確輸出，提高用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力，大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3 結(jié)語(yǔ)

“半導(dǎo)體物理”由于課程內(nèi)容的理論性極強(qiáng)，對(duì)于先修課程的要求較高，學(xué)習(xí)起來(lái)難度較大，使部分同學(xué)產(chǎn)生了畏難情緒，學(xué)習(xí)興趣不足。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂學(xué)習(xí)效果，筆者引入科研熱點(diǎn)介紹，利用課題研究法、反轉(zhuǎn)課堂等手段，大大消除了學(xué)生的畏學(xué)情緒，課上積極參與教學(xué)活動(dòng)，學(xué)習(xí)效果有很大的提升，增強(qiáng)了學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。