Materials Studio辅助半导体物理学教学改革与实践

李泓霖

摘 要：半导体物理学是物理电子类专业最重要的专业课之一，对其学习掌握的成效直接影响学生综合素质的培养。现如今，半导体学科的飞速发展对半导体物理学课程教学提出了新的高要求，其相应的教学模式必须与时俱进。针对许多高校目前存在的实验条件不足、相关设备配置不齐等情况，文章利用材料计算软件搭建虚拟半导体学习平台，以弥补传统多媒体教学手段在相关学习过程中的諸多不足。实践证明，这一方式能够十分有效地激发学生学习的热情，显著改善教学质量。文章着重介绍了半导体物理学教学的特点及现状，随后利用Materials Studio软件实际展示了新教学模式下提高教学质量的方法。

关键词：半导体物理学；实验教学；Materials Studio

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）11-0126-03

Abstract： Semiconductor physics is one of the most important specialized courses in physics and electronics and the mastery of it directly affects the cultivation of students' overall quality. Nowadays， the rapid development of semiconductor disciplines puts forward new high demands on the teaching of semiconductor physics courses and its corresponding teaching mode must keep pace with the times. In view of the fact that many colleges and universities currently have insufficient experimental conditions and related equipment configurations， this paper uses material computing software to build a virtual semiconductor learning platform to make up for the inadequacies of traditional multimedia teaching methods in the related learning process. Practice has proved that this method can effectively stimulate students' enthusiasm for learning and significantly improve teaching quality. This article focuses on the characteristics and status quo of semiconductor physics teaching， and then uses Materials Studio software to actually demonstrate the method of improving teaching quality under the new teaching mode.

Keywords： semiconductor Physics； Innovative teaching； Materials Studio

半导体产业经过数十年的飞速发展，现已毫无争议地成为了国民经济中最重要的组成之一，其不仅在高层面上关系到国家整体利益和国家安全问题，而且在各国综合国力的较量中举足轻重，日益成为重要的战略产业。例如，全球X86架构CPU设计制造已被Intel和AMD掌控，以此赚取了巨额的利润。世界各国均极力发展本国的半导体产业，以期在这场新的竞争中占据主动权[1]。目前，以举全国之力发展半导体产业的韩国为例，其对Samsung公司从各方面给予了最大程度的扶持，这使得Samsung公司在近5年实现了弯道超车，其基于10nm的FinFET工艺制程已日臻成熟，甚至可以和发展了30年之久的台积电相抗衡。而由我国并行计算机工程技术研究中心研制的神威·太湖之光超级计算机，其安装了40960颗我国自主研发的“申威26010”众核处理器，其已多次登顶世界超级计算机系统榜首，展示了我国在半导体领域的强大潜力和创新力。可以肯定地说，半导体产业的飞速发展从一开始就带有竞争的色彩，其不仅是发达国家保持领先的筹码，更是我国实现跨越发展的重要机遇。2006年，全国科技大会颁布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》，其中提出自主创新、建设创新型国家战略，大力发展半导体产业必将带来新的契机。现代半导体科学发展迅猛、知识快速迭代、竞争持续加剧，这些都对相关人才综合素质提出了更高的要求，给半导体物理教育提出了新的要求。

半导体物理学是一门主要学习半导体材料特性及相关器件中载流子分布及运动规律的学科，主要论述半导体相关的理论及应用[2]。半导体物理课程作为物理及电子类专业的理论基础课，其掌握程度直接影响学生后续其他专业课程的学习，比如传感器应用、新能源、光催化、太阳能电池等。随着近些年半导体材料技术在世界范围内蓬勃发展，新材料、新体系、新结构日益涌现，这些都对半导体物理课程教学提出了改革创新的新要求，在满足自身发展和学生培养的前提下谋求新突破。我国高校目前大多重实用轻机理，在教学上注重学生实际操作能力的训练，对相关基础理论的学习关注不够。这就造成了许多电子信息类专业的学生对相关电子芯片的结构工艺和工作原理不甚清楚。半导体物理学知识点较为分散、涵盖范围广、理论性强，对于刚接触这门课的学生而言，在理解和应用上都存在相当的难度[3]。在实际教学过程中发现，学生面对诸如能带结构、异质结、载流子浓度等抽象概念的时候，只能凭想象去理解而无法建立直观的感受，因此经常产生畏难厌学情绪，对调动学习的积极性十分不利，教学效果往往不能达到预期效果。

因此，针对半导体物理学课程本身的特点，分析不足之处，我们从教学内容及方式等方面进行了全新的探索和尝试，试图找寻出能使学科创新发展并提高学生综合素质的方法。经过一段时间的教学实践，我们发现采用Materials Studio辅助即时化教学的方法可以使学生更好更快地接受理解半导体物理的相关概念。

一、半导体物理学课程教学现状

半导体物理学所囊含的研究内容丰富，研究思路和手段前沿多變，而与之对应的传统半导体物理教学的思路和模式都略显滞后，难以满足科技的发展和培养目标的要求[4]。目前大多数高校选用刘恩科主编的《半导体物理学》，最新已修订到第7版。该书无疑是学习半导体知识最好的书籍之一，其偏重于理论推导，对高数和基础物理要求较高。由于不同学校对相关联课程安排的进度和门类差异较大，有的甚至取消了量子力学和固体物理的学习，这不可避免地加大了半导体物理的教学难度，同时也使学生理解起相关知识点的时候颇感压力[5]。这就要求教师在课堂上兼顾大多数学生的现有水平及理解力，采取新的教学模式。目前半导体物理教学基本上还是采用传统多媒体，比如PPT、视频、动画等手段辅以板书等形式进行，需要阐述的大部分知识点都是涉及到原子/分子尺度上的微结构、微现象和微理论，这些知识抽象晦涩，传统的讲授模式缺少学生和知识点之间的实时互动，不利于激发学生的探索精神和主观能动性，这些都或多或少地使得学生学习兴致不高，课堂效率低下。因此，在半导体物理教学实践中，着力探求新的授课方法和技术手段，提高课堂教学效率刻不容缓[6]。

我校物理相关专业本科毕业生有相当一部分是以凝聚态物理和理论计算为主要方向继续深造攻读硕博士，而半导体物理学则是最基本的专业课，需要为后继学习打下扎实牢靠的基础。传统的多媒体教学是将半导体的有关知识点以动画、图形甚至是视频资料的方式来进行讲解，在课堂上的演示能够带来较好的效果。学生能直观地领会到半导体中相关物理状态变化的过程，有效提高课堂效率。但是，需要说明的是，这种传统多媒体技术手段的本质仍然是单向性的知识传递。意思就是在播放展示相关知识点之前，其相关资料已经是做好了的，在课堂上只是简单的回放而已。无法做到实时显示对相关概念、变量、参数作出改变后带来何种影响。这在一定程度上使学生对半导体物理课程无法有更深入的体会和理解，无法适应当下快节奏高效率的高校授课大环境。

二、基于Materials Studio平台的实践教学探索

（一）实践教学的探讨

要对半导体物理学进行教学改革，就考虑到理论联系实际这一不可或缺的环节。可以想见，最好的方式是依托半导体材料实验室为学生开设相关物理实验，对常见的半导体材料及器件进行相关的验证性实验，例如利用霍尔效应仪测量半导体材料的载流子迁移率、少子寿命等。然而这些实践所需的设备往往价格较高，维护成本昂贵，操作复杂。为了解决这一现实性问题，我们考虑用计算材料专业软件搭建一种成本低、操作简单、界面人性化的实践教学平台，以代替实验室开展相关教学实践。这一模式在很多兄弟院校已经得到了广泛推广，是一种目前人们积极探索的教学模式。

为搭建实践平台，我们需要确定一种可对半导体材料相关的电子能带、光学特性、磁学特性、异质结等特性进行模拟的专业软件，并通过实时图形直观展现相关结果的软件平台。具备这些功能的专业软件有很多，Accelrys公司开发的Materials Studio是其中优秀的代表之一。Materials Studio中的Castep模块广泛应用于半导体、金属等多种材料，可研究包括表面结构、电子结构、光学性质、缺陷结构等在内的众多性质。此外，Materials Studio图形操作界面操作简便，环境友好，非常适于相关教学实践和科学研究。本人在自己正讲授半导体物理学的课堂里为他们加入了Materials Studio的相关应用。下述将扼要介绍该软件在课堂教学中的使用实例。

（二）实践教学过程

能带结构是半导体物理中非常重要的概念，与之相关的知识则贯穿后续章节。对能带理论和布里渊区的理解需要量子力学和固体物理相关知识的支持，这存在一定的难度。为此在这一环节最好让学生自己计算一个晶体结构的能带。通过将模型导入界面并运行则可得到对应的能带结构。结合最近研究热点材料，MoS2为例，如图1的所示的能带图，从其中可以计算出MoS2的禁带宽度及导带和价带特征。此外，通过改变晶格常数或进行掺杂处理后，其能带图有又相应的变化，这使得学生能够直观地学习其中的关联。在学习过程中更可以加深了对晶体结构、布里渊区等知识点的理解，为后续深入学习打好基础。

异质结是半导体物理中另一个重要的概念，其是不同半导体接触所形成的界面区域。可分为同型异质结P-n或p-N结等。异质结可以充分利用两种半导体各自的优良的特性，适于制作超高速开关器件、太阳能电池等。图2所示为一种常见的异质结结构，这种模型的建立是实时的，教师可以随时对学生进行指导和帮助，能在最大程度上激起学生的好奇心，调动他们的积极性，使学生主动去学习掌握知识，进一步加深对能带的理解。进而提升授课质量，提高学习效率，达成教学目标。

实践环节的加入能够明显提高学生的学习积极性，能够进一步启发他们思考改变半导体材料各性质的方法及相关理论。通过基于Materials Studio的实践教学，可以明显改善半导体物理学的教学效果。此外，还可以在验证性实验的基础上开展研究性实践。比如：对半导体材料进行掺杂方面的研究，或者对晶体结构进行微调改变、引入缺陷等，让学有余力的学生更深入地学习半导体研究涉及到的问题，激发他们的创新思维和开拓精神。

三、结束语

本文介绍了专业计算软件Materials Studio在教学实践方面的应用，结果显示通过这种方式可以初步解决了半导体物理课程晦涩难懂的问题，弥补我院实践性教学环节的缺失。激发学生的学习兴趣。半导体物理是一门紧贴前沿科学、紧跟时代发展的课程，只有合理交叉利用各种传统多媒体和专业软件，才能易于被学生接受，收到事半功倍的效果。与学生交流与教学形式应不拘一格，要积极将相关专业软件的应用纳入到课堂之中，以期培养高素质创新型人才。最后，进一步探索半导体物理教学的新模式，仍需广大教育工作者不断进行积极的研究和探索。

参考文献：

[1]孙连亮，李树深，张荣，等.半导体物理研究新进展[J].半导体学报，2003（10）：1115-1119.

[2][美]尼曼.半导体物理与器件（第三版）[M].赵毅强，等，译.北京：电子工业出版社，2010.

[3]徐振邦.《半导体器件物理》课程改革探索与实践[J].教育教学论坛，2014，4：222-224.

[4]王印月，赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].高等理科教育，2003（1）：71-73.

[5]张铭，王如志，汪浩，等.基于研究性学习的半导体物理课程教学改革[J].科教文汇（上旬刊），2011（7）：47-48.

[6]张健.浅析独立学院“半导体物理”的有效教学[J].科教文汇（下旬刊），2009（10）：208.

[7]王聪，唐玲，杨舰.“半导体器件物理”课程的高职教育现状及教学改革探究[J].高教学刊，2017（15）：174-176.