关于半导体器件物理课程教学方法改革的几点考虑

摘要：半导体器件物理是电子科学与技术专业高年级本科生的专业必修课程，它前承量子力学、固体物理、半导体物理、微电子工艺等课程，后启集成电路设计、集成电路CAD、集成电路测试分析等课程。针对该课程基础理论要求较高、综合性强、内容抽象等特点，提出了几点教学方法改革的思考。首先，强调半导体物理以及几个方程的基础地位，突出PN结、BJT和FET为课程重点;其次，构建启发式、讨论式的课堂教学模式，引导学生主动思考，锻炼设计思维;再次，布置仿真分析任务，借助TCAD工具加强对学生的实践训练;最后，结合学校开展的“本科生导师制”，鼓励学生在实验室开展器件的应用以加深理解。通过以上几点教学改革，提高学生的学习效率和课程教学质量。

关键词：半导体器件物理;教学方法改革;引导;实践训练;教学质量

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0216-03

电子器件是电子信息系统的基本单元。1947年第一只半导体晶体管的诞生标志着电子信息技术进入晶体管时代。此后，半导体器件以及以其为基础的集成电路技术得到了飞速发展。当前，由半导体器件构成的电子电路几乎都已集成化，半导体分离器件只是在某些特殊领域。集成电路技术的快速发展是以半导体器件和微电子工艺为基础的，要求半导体器件不断更新，以滿足小尺寸、高性能、低功耗的要求。

半导体器件物理是电子科学与技术本科专业的必修课程之一，是一门理论与实践并重、综合性很强的专业核心课[1]。该课程论述基于电子的微观运动规律的各种电子器件的工作原理，主要讲授各种半导体器件的基本结构、工作原理、电学特性和影响器件参数的因素[2]，其核心内容是硅微电子器件的工作原理和设计方法。在课程学习之前，学生需学习量子力学、固体物理、半导体物理、微电子工艺等课程，对固体能带理论以及半导体材料（Si、Ge、GaAs等）的物理性质有一定的认识。该课程的目标是让学生了解和掌握器件结构参数、工艺参数、材料参数与器件电学参数之间的关系，为学生后续学习半导体器件设计与验证、集成电路设计、集成电路CAD、集成电路版图设计、集成电路测试分析等课程打下基础。在后摩尔时代原有技术持续改进和提升、新技术不断涌现的大背景下，电子科学技术本科专业半导体器件物理课程的教学需要改革教学方法，跟上时代步伐，提高教学质量。

一、合理安排教学内容，强化基础，突出重点

半导体器件物理是电子科学与技术专业高年级本科生的专业必修课之一。在学习该门课程之前学生需具备量子力学、固体物理、半导体物理、微电子工艺等专业课程基础。这门课是后续半导体器件设计与验证、集成电路设计、集成电路CAD、集成电路版图设计、集成电路测试分析等课程的基础课程之一。

（一）回顾前序课程的相关内容，引入相关方程和分析方法，强化基础

教学内容包括固体材料的晶体结构和能带结构，固体和半导体中载流子的统计分布，载流子的输运过程，低维输运，固体和半导体的热、光、电行为。强调课程的基本理论是建立在量子力学基础之上的固体能带理论;基本方法是求解连续性方程、电流密度方程和泊松方程，得到半导体内的电场、电势分布和载流子浓度分布[3];基本目标是掌握半导体器件的外特性参数与半导体的材料参数、几何结构参数和工艺参数之间的关系。共计8个学时。

（二）深入分析和讲解PN结、双极型晶体管和场效应晶体管，突出课程重点

运用第一部分介绍的基本方法分析PN结、BJT和FET三类基础器件，每一类器件的教学时间为16个学时。PN结部分的教学内容包括：PN结特性的定性描述和定量描述、直流特性、寄生效应、交流小信号特性及其等效电路、开关过程及其物理实质、击穿模型及其定量描述。双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）部分的教学内容包括：双极型晶体管的基本结构及制造工艺、内部载流子输运过程、电流放大系数（均匀基区和缓变基区两种情况）、直流特性（电流-电压关系、击穿特性、高阶效应及安全工作区）、频率特性和开关特性。场效应晶体管部分的教学内容包括：结型场效应晶体管（Junction Field Effect Transistor，JFET）的工作原理、电流-电压方程、直流参数和频率参数、短沟道效应等，半导体表面的特性及理想MOS（Metal Oxide Semiconductor）结构，绝缘栅场效应晶体管（MOS Field Effect Transistor，MOSFET）的基本结构和工作原理、制造工艺、阈值电压及阈值电压的调整、直流电流电压关系、非理想效应、击穿电压、热电子效应和辐射效应等。

（三）辐射特殊领域，拓展教学知识

在保障课程的基础部分和重点部分的教学课时前提下，根据实际剩余的教学课时量，合理拓展金属-半导体接触和异质结、光电子器件和半导体功率器件等特殊领域，拓宽学生的知识面。

（四）加强课堂讨论和课后训练，巩固教学内容

每次课后留2～3道思考题，督促学生在完成作业之余对这些问题进行思考和讨论，完成每章教学内容后组织学生对相关的思考题进行课堂讨论。针对每部分教学内容布置相关仿真分析任务，借助TCAD（Technology Computer Aided Design，半导体工艺模拟和器件仿真）工具加强对学生的课后实践训练。

二、改革教学方法，激发学生积极性，锻炼学生设计思维

（一）改革教学方法，构建启发式、讨论式的课堂教学模式

1.改革教学理念。首先，教学的首要目的是让学生真正学懂课程内容，并会应用相关内容，而不仅仅是为了期末考试取得高分数。其次，半导体技术的发展极其迅速，新材料、新工艺、新器件以及新的集成方法层出不穷，教材应该是教学参考书，应该立足于教学参考书添加学术界和产业界的最新动态，丰富教学内容。再次，“教学”是一个互动过程，在高等教育中教学的主角应该是学生，教师应该引导学生进行学习，更多地教授学生学习和分析相关知识点的思路、思考和解决问题的方法，避免“填鸭式”教学。

2.改革课堂教学模式。课堂教学内容主要通过多媒体课件进行展示，辅以必要的板书。这门课程理论性较强，内容较抽象，传统的教学模式容易让学生产生厌学情绪。在每个知识点辅以应用实例的讲解，启发学生参与讨论并思考相关理论问题，可帮助学生尽快弄明白每个知识点的用处，做到目标明确。在教学过程中穿插相关典故和行业资讯，可帮助学生缓解疲劳，增加学习兴趣;穿插随堂练习，可帮助学生当堂巩固相关教学内容。

3.改革教学手段。借助现代发达的信息技术，建立网络交流平台，加强和学生的课外交流互动。借助TCAD工具（如Silvaco TCAD）加强对学生的实践训练，帮助学生建立起对注入杂质浓度分布、电场和电势分布等原本抽象的图像的直观映像。鼓励学生积极参与本科生导师的相关科研项目，开展半导体器件设计及应用方面的研究工作，加深对理论知识的理解。

（二）引导学生主动思考，激发学生学习积极性

以热点问题和最新行业资讯引导学生主动思考半导体器件及半导体产业的国内外发展状况，以课后思考题引导学生复习半导体器件每个知识点的内容、思考相关热点和难点，拓宽知识面。通过介绍半导体产业以及电子信息产业的现状、发展趋势和机遇，激发学生学习本门课程的积极性。

（三）除了重点传授半导体器件的分析方法之外，注重锻炼学生的设计思维

分析思维和设计思维是两条顺序相反的路径，设计比分析要难，会设计就肯定会分析。虽然本门课程的目的是让学生掌握各种半导体器件的分析方法，但在教学过程中传授学生一些基础的设计方法，以实例训练学生的设计思维，有利于提高学生分析半导体器件的能力，同时为学生学习后续相关设计课程打下基础。

三、借助TCAD工具加强实践训练

半导体器件的结构和特性大多是通过二维剖面图和特性曲线进行展示，内容较为抽象。此外，半导体器件各种参数理论计算的结果往往和实际结果存在偏差，这是因为手工计算不可能考虑所有的高阶效应，也不可能求解复杂的超越方程。在实际制作好的半导体器件中要观察到内部的杂质浓度分布、电场和电势分布等图像几乎是不可能的。TCAD工具基于有限元算法对半导体器件的制作工艺以及器件特性进行模拟仿真，能够直观展示各种分布图像和特性曲线，还能精确求解各种方程，使仿真结果与实验结果偏差极小。借助TCAD工具开展对半导体材料的特性分析以及半导体器件的工艺和特性仿真，加强对学生的实践训练，能够使抽象的理论知识形象化，有利于学生对知识点的理解和消化[4]，充分锻炼学生对半导体器件的分析和设计能力。

四、鼓励学生开展应用，在应用中加深对器件的理解

结合学校开展的“本科生导师制”，鼓励学生积极参与导师的相关科研项目，在实验室开展半导体器件设计及应用等方面的研究，以加深理解。我校“本科生导师制”规定每一名高年级本科生都有选定的指导教师，学生应该主动参与到导师的相关科研项目中去，这样既能培养和锻炼自己的科研能力、团队协作能力、分析和解决问题的能力，又能把所学的专业课程应用起来，加深对多课程内容的理解，还能加强对本专业课程体系的把控，帮助自己制定职业规划。

五、总结

半导体器件物理课程的目的是论述基于电子的微观运动规律为基础的各种电子器件的工作原理，主要讲授各种半导体器件的基本结构、工作原理、电学特性和影响器件参数的因素，其核心内容是硅微电子器件的工作原理和设计方法。该课程是电子科学与技术本科专业一门非常重要的必修课程，内容抽象，理论性和综合性强，具有老师难教、学生难学的特点。另外，随着半导体技术和集成电路技术的快速发展，半导体器件也不断涌现出新结构和新工艺，要求半导体器件物理课程的教学要覆盖面广，能跟上时代步伐。为此，提出了几点关于该课程的教学方法改革的思考。首先是在强化基础和突出重点的前提下拓展教学内容，加强课堂讨论和课后训练，巩固教学内容。其次，改革教学方法，构建启发式、讨论式的课堂教学模式。以热点问题、最新行业资讯和课后思考题引导学生主动思考相关问题，通过介绍行业情况和机遇激发学生学习本门课程的积极性。最后，借助TCAD工具加强对学生的实践训练，鼓励学生主动参与导师的相关科研项目，在应用中加强对半导体器件的理解，同时锻炼自己的科研能力、团队协作能力、分析和解决问题的能力，加强对本专业课程体系的把控。

参考文献：

[1]张丽娜，张伟，陆晓东，吴志颖.《半导体器件物理》课程教学改革与实践[J].人力资源管理，2015，（7）：200.

[2]高清运.“半导体器件物理”课程教学研究与探索[J].电气电子教学学报，2014，36（6）：20-21.

[3]傅兴华，丁召，陈军宁，杨健.半导体器件原理简明教程[M].北京：科学出版社，2010.

[4]向兵，程秀英.基于Matlab GUI的《半导体器件物理》教学仿真平台开发[J].实验科学与技术，2014，12（3）：47-48+206.

Some Considerations on the Teaching Method Reform of Semiconductor Device Physics

MA Kui

（College of Big Data and Information Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： Semiconductor Device Physics is a compulsory course for senior undergraduates majoring in electronic science and technology. It follows such courses as Quantum Mechanics， Solid State Physics， Semiconductor Physics， Microelectronics Technology， and provides foundation for the courses such as Circuit Design， Integrated Circuit CAD， and Integrated Circuit Testing Points. In view of the characteristics of this course， such as high requirement for basic theory， strong comprehensiveness and abstract content， this paper puts forward some thoughts on the reform of teaching methods. Firstly， it emphasizes the basic position of semiconductor physics and several equations， highlighting PN junction， BJT and FET as the focus of the course; secondly， it constructs a heuristic and discussion-based classroom teaching mode to guide students to think actively and exercise their design thinking; thirdly， it arranges simulation and analysis tasks， and strengthens the practical training of students with the help of TCAD tools; finally， in combination with the "undergraduate tutorial system" carried out by the university， students are encouraged to develop device applications in the laboratory in order to deepen their understanding. Through the above teaching reforms， we can improve students' learning efficiency and teaching quality.

Key words： Semiconductor Device Physics; teaching method reform; guidance; practice training; teaching quality

收稿日期：2019-08-31

基金項目：2019年半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心开放基金“基于宽禁带半导体材料Ga2O3的功率器件研究”（编号：ERCME-KFJJ2019-（01））

作者简介：马奎（1985-），男（汉族），贵州贵阳人，博士，副教授，研究方向：集成电路设计、半导体功率器件及功率集成技术。