“微电子器件”课程的教学方法

2014-08-23张庆中刘继芝

电气电子教学学报 2014年1期

任敏，张波，张庆中，刘继芝，陈勇

(电子科技大学微电子与固体电子学院，四川成都 610054)

“微电子器件”是微电子学科的理论基础课程，主要讲述微电子器件的内在机理、电学特性及特殊效应等，是学生学习本专业后续课程和将来从事集成电路设计的基础。本课程理论性强，知识点丰富，学生普遍感到学习难度大。同时，微电子产业的不断发展升级也对本专业学生提出了更高的要求:不但需要他们具备扎实的理论基础，更应具备较强的实践能力和创新意识。这些都要求教师对“微电子器件”的传统教学方法进行改革和创新，传授知识的同时更要培养学生的学习和思考能力，以适应微电子行业快速的技术更新。

1 课程基本情况

“微电子器件”课程教学，包括课堂讲授环节和学生实验环节，分别为60学时和12学时。课堂教学采用文献［1］作为教材。该教材为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，其内容全面，理论分析透彻和数学推导清晰。

授课内容包括:半导体基本方程、二极管、双极型晶体管与绝缘栅场效应晶体管的基本理论。实验教学环节则主要针对上述器件的电学特性进行测试和分析，共包含5个实验:双极型晶体管直流特性的测试、绝缘栅场效应晶体管直流特性的测试、双极型晶体管特征频率的测量、双极型晶体管开关特性的测量和双极型晶体管基极电阻的测量，学生可选作其中4个实验。对学生的考核，不再单一的以考试分数为准。期末考试只占总成绩的70%，而实验环节和课堂表现等则占到总成绩的30%。

本文将主要针对课堂教学环节，结合教学实践中的具体案例介绍对教学方法的探索和创新。

2 课堂教学方法探索

2.1 理清教学思路

由于本课程知识点非常丰富，如果没有清晰的教学思路，在课堂授课中专注于细节而忽略了知识点之间的联系，学生将很难把握知识的脉络。因此，课堂教学中笔者遵循先定性分析再定量推导、先理清思路再丰富细节的原则，强调物理概念，简化数学推导。

例如，MOSFET的直流电流电压方程(IDS～VDS)的推导是场效应晶体管部分的重点，公式多且复杂。如果在课堂教学中专注繁琐的推导，学生很难接受。笔者以图1所示的简图，采用如下推导思路。

图1 MOSFET的直流电流电压方程的推导思路简图

(1)对MOSFET工作机理进行定性分析，明确非饱和区工作时器件沟道内的电流应以漂移流为主。此处涉及到器件工作的物理机制，应作为讲解的重点;

(2)由于漂移流正比于沟道内载流子电荷面密度Qn，因此需求得Qn与漏源电压VDS之间的关系;

(3)沟道内某处的Qn可由栅极上的总电荷面密度QM减去耗尽区电荷面密度QD得到;

(4)QM及QD的大小都与该处的表面势φs，inv相关;

(5)表面势φs，inv可与漏源电压VDS联系起来。

由此便可获得MOSFET的沟道电流IDS与漏源电压VDS的关系。上述推导步骤是环环紧扣的，理清楚每个步骤之间的逻辑关系，再来分析具体的公式，学生理解起来就容易很多。

2.2 将抽象的物理概念形象化

本课程采用的教材理论性很强、语言精练、推导过程严密清晰，但对于本科生来说稍嫌深奥。国外微电子类本科生教材通常配备大量插图，讲解深入浅出，多以生动的比喻和对比来解释复杂抽象的物理概念。笔者在教学中参考了多种优秀国外教材，尽量将抽象的物理概念具体化、形象化［3，4］。

费米能级是“半导体物理”和“微电子器件”课程中的重要物理概念，是分析和求解问题的重要工具，而准费米能级的概念则是教学中的难点之一。为了帮助学生理解费米能级和准费米能级的概念，可以采用容器中的水来做形象的类比。如图2(a)所示，容器中部分装有水，当容器有抖动时水面将产生起伏，如果我们引入一个概率函数P来表示在容器内的特定高度找到水的可能性，就会发现越接近容器顶部P的值越接近于0，而接近容器底部P的值越接近于1。图中虚线是我们人为定义的水平面。不管水面起伏的强度如何，水平面处概率函数的值始终为P=0.5。因此，水在容器中相对高度的分布，与一定温度下半导体的导带电子按能量的分布是非常类似的:抖动程度对应于温度的高低，没有抖动对应绝对零度;容器内的高度类比于电子的势能;而水平面则可以类比于半导体的费米能级。

由于没有外加因素的影响，图2(a)中的系统处于平衡状态，此时水平面处处相等，与半导体处于热平衡的状态类似。如果在容器的一边有水龙头向容器内注水，一边有排水管出水，如图2(b)所示，这时水平面将不再处处相等，不同位置处水随相对高度的分布不能再用统一的水平面描述;但在一个非常小的区域内，我们仍然可以以局域的准水平面作为参考，表征该区域内的水在相对高度的分布。同样在外加电压下，PN结不再处于热平衡态，不同的载流子以及不同地点的同种载流子，都不再具有统一的费米能级;但对于同一地点的同一种载流子而言，仍然可以用与平衡载流子浓度分布相类似的公式来描述其浓度分布，只是需将平衡时的费米能级换成非平衡时的准费米能级。

图2 用容器中的水平面类比费米能级和准费米能级

2.3 理论联系实际可扩充知识面

“微电子器件”虽然是一门讲授器件原理的理论课程，但与具体的微电子工艺结合非常紧密。有一些特殊的物理效应在理想器件中并不存在，但在实际器件中会由于制备工艺或者版图设计等原因引入。例如，实际PN结边缘的柱面结和球面结对其雪崩击穿电压的影响;MOSFET的栅源、栅漏寄生电容对频率特性的影响等。如果学生对器件的实际制备过程没有一定的了解，则很难深入透彻的理解这些特殊物理效应。因此，在教学中我们非常注重器件原理与实际工艺的结合。

我们以教材中的MOSFET的“窄沟道效应”为例。教学过程中发现很多学生不能理解“为什么栅极有一部分要覆盖在沟道宽度以外的场氧化层上”?其原因是学生对MOSFET器件的工艺流程和版图不了解。授课中我们结合图3(a)所示的器件版图讲解。教材中如图3(b)所示的MOSFET二维结构图实际上是将图3(a)沿AA'线的剖面。而窄沟道效应中，我们要研究的却是图3(c)所示的沿BB'线的剖面图。从图3(a)可见，在器件有源区外是厚场氧区，为了栅极的互联走线，以及为了满足有源区与栅电极的套刻精度，栅电极必须要超出有源区，而超出的部分就会覆盖在厚场氧区上。由于场氧区下的感应电荷消耗掉了一部分栅压，因此需要更高栅压才能使有源区内的栅氧化层下的衬底反型。随着MOSFET沟道变窄，栅电极覆盖在场氧上区域所占的比重将变大，阈值电压的上升也会更加严重。

图3 常规MOSFET的俯视图与剖面图

2.4 前后知识的对比加深记忆

如果我们在教学中，适当采用对比和类比的讲解方法，使学生理清了前后知识的内在联系，可以有效地加强对知识点的记忆。

例如:双极型晶体管BJT曲线和MOSFET的输出特性曲线之间有很多相似之处，可以结合起来记忆，同时两者又有很多不同之处容易被忽略。将这些异同点讲透，可以加深学生对这两类器件电学特性的理解。由于同为输出特性曲线，因此图4(a)和图4(b)都反映了输出端电流和输出端电压的关系，输出特性曲线都分为三个区域。BJT有截止区、饱和区和放大区，而MOSFET有截止区、饱和区和非饱和区。要特别注意的是两者饱和区的区域是不相同的。由于BJT为流控器件，控制信号为基极电流IB;而MOSFET为压控器件，控制信号为栅极电压VGS。对于处于放大区的BJT，IC与IB为线性关系;而对处于饱和区的MOSFET，ID与VGS为平方关系，因此一簇曲线的间距明显存在差异。对于BJT器件，放大区的输出特性曲线会由于厄尔利效应而出现不饱和;MOSFET饱和区的输出特性曲线同样也存在不饱和现象，但产生原因是有效沟道长度调制效应及漏端电场对沟道区的耦合作用。