孫艷梅

半導體器件原理教學改革

孫艷梅

（黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

半導體器件原理是學習集成電路芯片技術的基礎和核心課程．由于該課程具有內容多、公式長、機理復雜的特點，課堂教學難度較大．結合半導體行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和該課程的特點、教學實踐及目前教學過程中存在的問題，從教學理念、教學內容建設、教學方法和教學手段等方面對課程教學模式進行改革，探索實現(xiàn)路徑，以激發(fā)學生學習興趣，提高教學質量，夯實學生專業(yè)基礎．

半導體器件原理；集成電路芯片；教學理念；教學方法

以半導體產業(yè)為支撐的集成電路產業(yè)是信息技術的核心，集成電路又是支撐社會經濟發(fā)展以及保障國家安全的先導性產業(yè)[1]．然而，目前我國集成電路技術與國際先進技術水平仍有較大差距，關鍵技術的發(fā)展受到限制，這鉗制了我國在5G通信、大數(shù)據、人工智能等領域的快速發(fā)展，也限制了我國進入全球高端產業(yè)鏈的進程．近年來所發(fā)生的“中興事件”“孟晚舟事件”“華為5G禁令事件”等都與集成電路芯片技術密切相關．發(fā)展半導體產業(yè)，培養(yǎng)集成電路高端人才是突破該瓶頸的有效措施[2]．隨著我國集成電路產業(yè)的快速發(fā)展，人才短缺的現(xiàn)象凸顯，而高校電子科學與技術專業(yè)承擔著該領域人才培養(yǎng)的主要任務．

半導體器件是集成電路產業(yè)的基礎．理解和掌握集成電路核心器件的工作原理是集成電路設計的基礎．半導體器件原理課程是電子科學與技術專業(yè)和集成電路專業(yè)的一門專業(yè)必修課，又是這兩個專業(yè)的基礎課，是器件模擬與工藝仿真、模擬集成電路、數(shù)字集成電路等課程的前導課程．半導體器件原理課程通過分析半導體器件中載流子的運動規(guī)律，研究半導體器件的工作原理和特性，是半導體器件性能控制、開發(fā)和設計的基礎和依據[3-4]．

1 課程的特點及存在的問題

1.1 教學模式單一，缺乏自主意識培養(yǎng)

半導體器件原理課程的宗旨在于使學生掌握典型半導體器件的工作機理和特性控制方法，為設計和制造集成電路芯片奠定基礎[5-6]．半導體器件原理內容涉及廣泛，知識點多，物理機理復雜，其典型特點是：器件種類繁多，結構各異，物理概念抽象，公式冗長，推導繁瑣．傳統(tǒng)的以傳授知識為中心的“填鴨式”教學方法對學生知識體系進行構建，很難照顧到學生對枯燥、抽象、復雜的理論知識的抵觸，使得學生被動學習，導致僵化地記憶．從整體反映來看，學生對這門課程的積極性低，課堂互動差，教學效果不理想．

1.2 課程內容陳舊，滯后于先進技術

當今全球微電子領域迅猛發(fā)展，知識更新速度快，新技術、新理論不斷涌現(xiàn)，各個學科之間的融合交叉愈發(fā)密切．目前，半導體器件原理課程內容陳舊，落后于時代信息技術的發(fā)展，而且電子科學與技術專業(yè)或集成電路專業(yè)培養(yǎng)方案的修訂難以跟上信息技術的飛速發(fā)展．特別是當器件的工藝節(jié)點進入納米尺度時，絕緣柵場效應晶體管的性能越來越受到短溝道效應、窄溝道效應、漏誘生勢壘降低效應、溝道長度調制效應和小尺寸方面存在的量子效應等的限制．隨著微電子技術的快速發(fā)展，研究人員開發(fā)了多種基于新原理、新結構和新材料的半導體器件．目前，半導體器件原理的教學內容落后于先進技術．

1.3 理論實踐脫節(jié)，很難適應產業(yè)發(fā)展

半導體工業(yè)人才的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，學生不僅要具備扎實的理論基礎，還要通過實際的工程實踐加深對理論知識的理解與運用．所以，需要高校與產業(yè)界合作對學生進行聯(lián)合培養(yǎng)，實現(xiàn)資源優(yōu)勢互補和共同發(fā)展進步，為國家培養(yǎng)具有創(chuàng)造思維和能夠解決實際工程問題的半導體工業(yè)人才．然而，傳統(tǒng)的半導體器件原理課程教學模式存在重理論，輕實踐的弊端．新舊知識的融合和理論與實踐缺乏良好的銜接．所以，為有效提升教學質量，培養(yǎng)適應產業(yè)發(fā)展、緊跟現(xiàn)代技術發(fā)展的專業(yè)人才，進行該課程的教學改革勢在必行．

2 半導體器件原理課程教學改革

結合半導體產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和半導體器件原理的課程特點、教學實踐和目前該課程教學中存在的問題，對半導體器件原理課程進行教學改革．

2.1 教學理念改革

當今，現(xiàn)代半導體技術的發(fā)展日新月異，器件的種類日益增多兼具新的結構和新的性能，新技術、新工藝、新產品不斷涌現(xiàn)．任何一門課程都不能涵蓋所有的器件及其工藝，更無法介紹和解釋所有器件的特性．要在有限的教學課時中豐富學生的認知，就要求我們首先進行教學理念改革．教師要充分確立學生是學習主體的理念，避免學生被動學習，注重學生自主學習、主動思考能力的培養(yǎng)，樹立民主的工作作風．通過引導和分析，實現(xiàn)學生自主學習．需要強調的是，教學效果并不只是通過卷面成績進行驗收，而是在學生的分析問題、解決問題的綜合能力等方面進行體現(xiàn)．只有提高學生的綜合能力，未來在面對多種新型半導體器件時，學生才能應對自如．

2.2 教學內容的建設與更新

傳統(tǒng)的教學側重于理論知識的學習，較少涉及到理論在實際生活中的應用．據此，可增加知識應用的教學．考慮到實驗教學是本科教育的重要組成部分，是學生把理論知識和實際應用進行結合的重要途徑．實驗是學生動手操作的好機會，在實際操作中學生可能會遇到各種問題，實驗教學中可以把對應理論知識進行點對點的詳細講授，不僅可以激發(fā)學生對知識的探索欲望，還有益于學生更深刻地接受和理解理論知識．

當前，半導體器件正朝著“高于摩爾”和“超越摩爾”兩個方向飛速發(fā)展[7]．器件結構、系統(tǒng)構架和材料性能都要滿足半導體器件3D堆垛“異質異構”的集成要求，教學中可結合“超越摩爾”突破傳統(tǒng)CMOS工藝的技術瓶頸的科學前沿，例如：二維層狀材料在納米尺度上優(yōu)異的電學特性，采用碳納米管、石墨烯、二硫化鉬、氮化硼、層狀雙金屬氫氧化物、鈣鈦礦等新材料構建基于電子自旋、量子點的偶極矩和憶阻器等新型器件等先進材料及器件對教學內容進行更新[8-9]．

另外，隨著6G數(shù)據通信、超高密度數(shù)據存儲及太赫茲檢測等技術的不斷發(fā)展，各種新器件、新技術層出不窮[10]．為培養(yǎng)能夠適應技術變革甚至引領未來的半導體工業(yè)人才，半導體器件原理課程的教學內容應該將學術前沿成果和行業(yè)動態(tài)實時融入教學內容，使學生掌握集成電路技術的發(fā)展趨勢，為未來技術升級提供知識儲備．考慮到半導體工業(yè)界高層人才不僅要具備設計當前主流器件、并迅速投入工業(yè)生產的能力，還要具備靈活應對半導體器件發(fā)展過程中未來在材料、機理以及結構等方面發(fā)生的換代升級的能力，將半導體器件原理課程的知識結構進行劃分（見圖1）．其中，器件基礎模塊屬于本科生階段半導體器件原理的知識結構；核心器件模塊是當前CMOS工藝中集成電路的主流器件，也是半導體器件原理課程的主要知識結構；新型器件模塊側重于基于新材料、新機制和新結構的學術前沿成果以及半導體行業(yè)發(fā)展動態(tài)．

圖1 半導體器件原理的課程知識結構

2.3 教學方法改革

“灌輸式”教學模式下，學生對知識的領悟和理解是非常有限的，甚至會慢慢失去了學習興趣，從而被動學習．半導體器件原理是一門知識面廣、理論與實踐并重的交叉學科．教師在教學中要做到“詳略得當”，工程實踐中需要經常用到的知識點就要詳細講解，有些不好理解的晦澀難懂的深奧理論和機制應該略解，從而消除學生畏難的心理負擔．對于部分抽象的理論機制和原理以及晦澀難懂的知識點，可以將半導體器件工作原理制作成視頻和動畫進行演示和體現(xiàn)，可以有效提高教學效果．當學生具備相當?shù)南嚓P理論基礎時再進行實踐，走進企業(yè)，通過企業(yè)或工廠生產線參觀學習及講解幫助學生消化理論知識內容，頭腦中將理論知識與生產實踐進行有機結合，從而提升學生的學習熱情，把學生從被動學習轉變成主動學習．針對參觀的內容，回校后針對不同的知識點可提出相關問題，組織學生分組討論，然后由學生分析問題并進行講解，再啟發(fā)其他學生進行討論，培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題的能力以及團結合作精神．評估學習效果通常采用美國緬因州國家訓練實驗室所提出的金字塔模型（見圖2），努力實現(xiàn)金字塔塔底的學習效果．

圖2 金字塔模型

2.4 教學手段改革

通過現(xiàn)代網絡技術搭建的師生互動自主學習平臺，教師課前布置自學任務，并在組織學習平臺上上傳視頻教程和學習資料供學生隨時自學查閱，讓學生課后提交總結報告，開通評論區(qū)和實時留言功能，實現(xiàn)實時交流．充分利用多媒體技術和網絡教學優(yōu)勢，結合動畫、音頻和視頻等方式，直觀、深刻地展示和解讀器件的構建過程及載流子的輸運過程，使抽象、深奧的理論知識變得可視化、形象化，提供給學生不同角度的感官體驗和知識體驗，調動學生的學習積極性，促進對知識的理解．

雖然微電子類院校都會開設半導體器件原理實驗教學，但實際并不能反映現(xiàn)階段CMOS工藝的特點，而且遠遠滯后于當前的工藝技術水平．針對上述問題，可將大型半導體器件仿真軟件Slivaco TCAD引入到教學中，進行半導體工藝和半導體器件等多項模擬仿真．可涵蓋二極管、雙極性晶體管、高電子遷移率晶體管、絕緣柵場效應晶體管、鰭式晶體管等現(xiàn)代集成電路工藝中的多種類型器件，模擬真實先進的工業(yè)器件的電特性，使學生在交互操作中對半導體核心器件的工作原理有直觀、深刻的理解．在Silvaco TCAD中，數(shù)值計算是基于一系列物理模型及方程進行的，不同的物理模型有不同的適用條件，物理模型的選擇直接影響仿真的準確性甚至正確性．通過對比不同物理模型、不同工藝參數(shù)的模擬結果，加深對理論知識的理解．選擇不同的物理模型、器件類型、分析方法，并加入新材料、新結構、新特性的器件實驗，非常有利于培養(yǎng)學生自主學習、獨立思考、主動探索的能力和創(chuàng)新意識．在課堂上使用仿真軟件，可以使枯燥的公式計算結果更有說服力和有效性．

3 結語

半導體器件原理課程要求學生掌握半導體核心器件的工作原理、優(yōu)化設計方法和發(fā)展趨勢，使學生具備一定的器件性能分析、工藝設計和性能控制的基礎．結合半導體產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及半導體器件原理課程的特點和目前課程教學中存在的問題，從教學理念、內容、方法和手段等方面進行教學模式的整合與重構探索研究，以期增強學生的學習熱情，改善教學質量，以培養(yǎng)具有自主學習能力、適應科學研究和社會生產需要的綜合型人才．

[1] 魏少軍．2017年中國集成電路產業(yè)現(xiàn)狀分析[J]．集成電路應用，2017（4）：6-11．

[2] 段理，張亞輝，樊繼斌，等．《半導體材料及器件》教學改革與實踐[J]．教育教學論壇，2017（4）：169-170．

[3] 齊吉泰．半導體器件中的量子隧道效應[J]．高師理科學刊，2002，22（2）：23-26．

[4] 董可秀，石永華，艾青云，等．案例教學法在“半導體器件原理”教學中的嘗試與反思[J]．廊坊師范學院學報（自然科學版），2018，18（2）：110-113．

[5] 曹偉，羅民，陳海燕．基于半導體可飽和吸收鏡的雙波長環(huán)形腔連續(xù)波光纖激光器[J]．高師理科學刊，2019，39（4）：43-45．

[6] 張芳，任大慶，張納．淺談《半導體物理與器件》課程的教學改革[J]．教育教學論壇，2019（23）：133-134．

[7] 常勝．后摩爾時代研究型微電子人才培養(yǎng)思考[J]．教育教學論壇，2019（3）：214-216．

[8] 謝生，徐江濤，韓旭，等．“現(xiàn)代半導體器件原理”課程改革與探索[J]．教育教學論壇，2022（3）：41-44．

[9] 孫玲，黎明，吳華強，等．后摩爾時代的微電子研究前沿與發(fā)展趨勢[J]．中國科學基金，2020（5）：652-659．

[10] 彭強．針對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的“半導體器件物理”課程教學改革探索[J]．江蘇科技信息，2017（8）：66-67．

Teaching reform of semiconductor device principle

SUN Yanmei

（School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150080，China）

Principles of semiconductor devices is the basic and core course for learning integrated circuit chip technology．Because the course has many contents，long formula and complex mechanism，the classroom teaching is more difficult．Based on the current development situation of semiconductor industry，the characteristics of this course， teaching practice and existing problems in the teaching process，the course teaching mode is integrated and reconstructed from the aspects of teaching concept，teaching content construction，teaching methods and means，and the realization path is explored，so as to enhance students′ interest in learning and improve teaching quality，and consolidate students′ professional foundation．

semiconductor device principle；integrated circuit chip；teaching philosophy；teaching method

1007-9831（2023）11-0093-04

TN36∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.11.018

2023-04-12

黑龍江大學高等教育教學改革工程項目（2021C13）

孫艷梅（1979-），女，吉林前郭人，副教授，博士，從事功能材料與器件研究．E-mail：sunyanmei@hlju.edu.cn