“微电子器件”课程三元教学法的研究

刘继芝, 廖昌俊, 任 敏, 张庆中, 陈 勇

(电子科技大学 1. 微电子与固体电子学院； 2. 通信与信息工程学院， 四川 成都 610054)

“微电子器件”课程三元教学法的研究

刘继芝1, 廖昌俊2, 任 敏1, 张庆中1, 陈 勇1

(电子科技大学 1. 微电子与固体电子学院； 2. 通信与信息工程学院， 四川 成都 610054)

本文介绍在“微电子器件”的课堂教学中，将课堂讲授、实验测试和器件仿真三种教学方法有效地结合起来，形成“微电子器件”课程的三元教学新方法，使学生从被动学习变为主动的、创造性的学习，有效加深学生对器件物理机制的理解，提高教学质量。本文对“微电子器件”课程教学有一定的指导作用。

微电子器件；三元教学法；教学方法

0 引言

“微电子器件”是我校电子科学与技术(微电子方向)专业本科生的专业核心课程，包括课堂讲授环节和学生实验环节，分别为64学时和12学时。课堂教学采用文献[1]作为教材，授课内容包括：半导体基本方程、二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和异质结型晶体管的基本理论。

目前，国内外“微电子器件”课程的授课方式都是以课堂讲授为主，实验验证为辅。该教学方法存在如下问题：

(1)学生在该教学模式下的学习，是一种被动的、没有创新性的学习。

(2)课堂讲授和实验验证之间关系不够紧密。现有实验采用封装好的器件在特定的偏置条件下测试器件参数，造成了学生对器件的内部结构没有清晰的认识，对器件工作原理难以深刻的理解。

除了上述的课堂讲授和实验验证的两种教学手段以外，目前还可利用器件仿真软件，通过调整器件的结构参数和偏置条件来实现不同的电学性能，达到形象生动地加深学生对器件工作原理理解的目的。但器件仿真会涉及到学习仿真软件的过程，通常需要独立开设一门软件学习课程。这样的课程将以讲授软件使用方法为主，淡化了仿真过程中所对应的器件的物理机理，削弱了辅助“微电子器件”课程的作用。

在长期从事教学和科研工作的过程中，笔者发现将课堂讲授、器件仿真和实验验证这三种教学方法有机融合，形成“微电子器件”课程的三元教学新方法，可以使学生从被动学习变为主动的、创造性的学习，能够有效加深学生对器件物理机制的理解，从而提高教学质量。

1 三元教学法的研究

“微电子器件”课程中的三种教学方法的相互关系如图1所示。其中，三种教学手段之间存在相辅相成的紧密关系，三元教学法就是要利用它们之间的关系来提高教学质量。

图1 三种教学方法的相互关系

三元教学法的教学过程可以分以下三步进行。

1.1 第一步：课堂讲授

教师在课堂上进行微电子器件基本理论的讲授，使学生初步建立微电子器件工作原理的理论体系，且课堂讲授以分析物理过程为主。

例如，在课堂讲授中通过详细的物理过程的分析使学生掌握突变PN结正偏时载流子在整个器件内部的运动情况[2-4]。

首先，PN结外加正向偏压时，外加电场的方向与内建电场的方向是相反的，耗尽区内的电场减小，耗尽区内扩散电流大于漂移电流。所以，在正向偏压下，载流子在耗尽区内做净的扩散运动。那载流子在P型中性区和N型中性区的运动又如何呢？载流子的运动有漂移和扩散两种，这两种运动与电场和载流子浓度梯度相关。因此，想要分析载流子的运动情况，就必须掌握两个区域的电场和载流子的浓度分布。

PN结在外加正向偏压时，电场主要分布在耗尽区内，在两个中性区内只有非常弱的电场存在。对于多数载流子而言，在非常弱的电场下也能产生较大的电流，而少数载流子在这样的弱电场下的漂移电流可以忽略。

在中性区中，多数载流子的浓度和掺杂浓度一致，因此不存在载流子的浓度梯度。对于耗尽区来说，由前面的分析可知，载流子在其内存在浓度梯度。当少数载流子在通过扩散运动渡越耗尽区来到耗尽区与中性区的交界处时，会在此处形成一定的积累，其浓度就会比中性区内的少数载流子的浓度高，在中性区形成少数载流子浓度梯度的分布。

已知正偏下PN结的电场分布和浓度分布，载流子的运动情况就可以完整地掌握，如图2所示。以电子为例，当电子从阴极处进入到N型中性区，作为多数载流子会在该区域内在外加电场的作用下做漂移运动，来到N型耗尽区的边界处。然后，电子会以扩散运动的形式通过耗尽区，来到P型耗尽区的边界处，形成一定的电子积累。之后，电子会作为少数载流子通过扩散的方式向阳极运动，而且边扩散边与空穴复合。被复合掉的空穴通过从阳极处漂移来的多数载流子得到补充。这样就形成了连续的电子电流。

图2 突变PN结正偏时载流子的运动情况

同理，我们可以分析出空穴在各个区域的运动情况以及PN结外加反向偏压时载流子在各个区域的运动情况。

采用了这样的讲授方法后，学生们对于载流子在PN结中的运动情况能够掌握得比较扎实。在后续的学习过程中，学生们对于这方面的知识都能够轻松地进行回顾，而且可以自如地运用。在期末考试的环节，这部分知识的失分率也大大减小。

1.2 第二步：器件仿真

课堂讲授后，通过器件仿真的演示加深学生对器件基础知识的理解。通过改变器件的结构参数和偏置条件，得到各种物理量的分布图，使学生建立具体形象的器件内部的物理过程与理论体系的映射关系。

例如，利用仿真软件来形象示出PN结在不同掺杂浓度和不同偏压下的电场大小的变化。图3所示是一个PN+结在不同掺杂浓度和不同偏压下的电场分布。从图中可以看出，随着p型区掺杂浓度的降低，PN结的最大电场减小。对于不同的偏压条件，随着外加偏压的增大，PN结的最大电场减小。通过仿真图形的比较，学生们可以加深对PN结电场与掺杂浓度和偏压之间的关系的理解，而且能够具体形象地了解耗尽区宽度与掺杂浓度和偏压之间的关系。

由于仿真软件的形象演示，学生们对于器件中各种物理量与器件特性之间的关系掌握得更加的牢靠。在后续的工艺课程中，授课教师反映在对学生讲解各种工艺过程时，学生们能够把工艺过程和器件特性进行一一对应，这使得课堂讲授变得更加容易。

1.3 第三步：实验验证

在实践环节中，经过课堂讲授和器件仿真后，学生可以通过自己设计各种实验条件，并动手测试器件的电学特性，建立起器件外部电学特性与内部结构参数的相互关系。学生可能会在设计验证的过程中遇到很多问题，在教师的指导下，通过他们主动地解决问题，理论知识就能很好地被消化吸收，而且容易记忆。

图3 不同掺杂浓度和不同偏压下PN+结的电场分布

例如，通过实验来判断MOSFET是N沟还是P沟，是耗尽型还是增强型。实验时让学生随机选择MOSFET器件，其中包含有N沟道、P沟道、耗尽型和增强型。

判断MOSFET是N型还是P型，可以将器件的栅极开路，漏极和源极之间外加偏压来进行判断。在这样的偏置条件下，N型MOSFET电压电流之间的关系如图4(a)所示。在漏源之间加上正向电压时，当电压小时电流很小，当电压增大到某一值时，电流会突然急剧增加。在漏源之间加上反向偏压时，器件的伏安特性就是一个二极管的正向特性。如果被测试的器件有这样的特性，就能够直接判断其是N沟道MOSFET。

判断该N沟道MOSFET是增强型还是耗尽型，可以采用将器件的漏极和栅极短接起来外加偏压，且将源极接地。如果已知该器件是N沟道MOSFET，测试得到图4(b)所示的的特性曲线，阈电压VT大于零，则该器件是增强型的N沟道MOSFET。

(a)输出特性曲线 (b)转移特性曲线图4 N沟道MOSFET

这样的实验课程的设计，就使得学生们可以主动地思考器件的特性，并通过不同器件之间测试结果的对比，更加深刻地掌握每种器件的特性，使得实验教学变为生动有趣。

在实验课上，积极主动参与实验操作的学生增加了，关于实验操作的提问变少，关于器件性能与工作原理之间对应关系的提问变多了。主动思考的学生变多，学生们的学习方式从被动逐渐转向主动。

2 结语

“微电子器件”是微电子类本科专业的核心课程，是从事微电子相关工作的理论基础，所涵盖内容丰富，理论性和实践性较强。笔者将课堂讲授、器件仿真和实验验证这三种教学方法有机融合于该课程的教学中，形成“微电子器件”课程的三元教学新方法，并对其进行了积极的探索。实践证明，“微电子器件”课程的三元教学有效地激发了学生的学习兴趣，调动了学生的主观能动性，取得了良好的教学效果。

[1] 陈星弼, 张庆中, 陈勇. 微电子器件(第三版)[M]. 北京：电子工业出版社, 2008年.

[2] Warner R. M.(美国), Grung B. L.(美国)著, 吕长志等译. 半导体器件电子学[M]. 北京：电子工业出版社, 2005年.

[3] Richard L. Anderson(美国), Betty Lise Anderson(美国)著, 邓宁等译. 半导体器件基础[M]. 北京：清华大学出版社, 2008年.

[4] 施敏(美国), 伍国珏(美国)著, 耿丽等译. 半导体器件物理[M]. 西安：西安交通大学出版社, 2008年.

Three Elements Teaching Method in Microelectronic Device Course

LIU Ji-zhi, LIAO Chang-jun, REN Min, ZHANG Qing-zhong, CHEN Yong

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China)

The teaching methods of Microelectronic Device are explored and improved．The lectures, laboratory testing, and device simulation are combined to develop the three elements teaching method. Practices show that this teaching method can improve teaching quality efficiently and develop students' professional quality，innovative thinking and operational ability．This paper can serve as a significant guide in the teaching of Microelectronic Device course.

microelectronic device; three elements teaching method; teaching method

2015-11-19;

2016-02-25 基金项目: 2015年电子科技大学教学改革研究项目(项目编号：2015XJYYB017)

刘继芝(1976-)，女，博士，副教授，主要从事微电子器件方向的教学和科研工作, E-mail: jzhliu@uestc.edu.cn

TN303

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1008-0686(2016)05-0078-03