面向科学研究的“半导体物理”课程教学初探

宋兵 刘森 王玺

[摘 要]为实现半导体物理课程教学、促进核心电子器件的科学研究，培养能够有利于实现创新突破的人才，促进国家和民族在半导体领域的深入发展，有必要开展面向科学研究的教学探索。该文通过分析当前半导体教学中的难点问题，提出根据科研方向的关键点把握教学内容、根据科研内容的重难点强化教学实践、根据科研方法的逻辑性培养创新思维、根据科研成果的改进性评价教学效果等四个方面，开展面向科学研究的半导体物理课程教学探索，旨在对促进高等教育院校半导体物理等方面人才培养提出一定的参考。

[关键词]科学研究;教学改革;半导体物理

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）48-0-03[收稿日期] 2020-10-04

目前，我国集成电路的核心技术受到国外出口限制，导致国内高精尖科技领域和先进科技企业面临“卡脖子”难题。解决当前核心技术受制于人的关键在于人才，人才是创新的第一要素。习主席在全国教育者大会强调，要坚持深化教育创新改革，坚持把服务中华民族伟大复兴作为教育的重要使命。改革创新是时代发展的不竭动力，更是教育发展的时代主题[1]。在此时刻，国务院学位委员会会议投票通过集成电路专业作为一级学科，加强人才培养，实现科技强国[2]。教育部实施“强基计划”，开展基础学科培养改革，突出数学、物理等基础学科的支撑引领作用，培养服务国家重大战略需求的人才[3]。在本科教育过程中，多媒体与计算机教学重新改造学生的学习方式，针对每门课程开展教学改革，对于促进人才培养人才质量提高和科学研究成果的创新突破具有重大意义。

半导体物理课程是介绍半导体材料相关知识和基本工作原理的课程，对于研究新型半导体材料和基础器件的科学研究具有重大的指导意义，能够为“核高基”重大规划中对核心电子器件和高端通用芯片发展提供坚实的理论基础。课程基本内容包括半导体的晶格结构、半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布，非平衡载流子及载流子的运动规律;讨论p—n结、异质结、金属半导体接触、表面及MIS结构等半导体表面和界面问题;介绍半导体的光、热、磁、压阻等物理现象，以及非晶态半导体的基本特性。

因此，针对半导体材料与器件的发展趋势以及重大科研规划，半导体物理课程有必要在向学生介绍新型半导体材料相关的知识和基本工作原理的基础上，要尽量避免复杂的数学推导和过分细致的器件细节，将科学研究的成果引进课堂，向学生实际展示该课程的效用，激发学生的学习热情和学习效果。

一、当前半导体物理课程教学中的难点

半导体物理课程的教学内容繁杂，涉及大量的简化假设和理论公式，导致学生接受起来感到生疏且枯燥，导致学习效果不理想。半导体物理研究半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程，是固体物理学的一个分支。研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础，主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各种类型的缺陷。研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础，主要研究半导体的电子状态，即能带结构、杂质和缺陷的影响、电子在外电场和外磁场作用下的输运过程、半导体的光电和热电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的作用机理和制造工艺等。由此可见，课程中涉及的物理过程很多，且基本概念繁杂，由于材料内部物理过程难以精确表征跟踪，通常采用理论建模的方法进行解释，因此，如何让学生准确理解理论的推导过程和物理过程具有较大难度。

此外，课程教学中，未与实际应用结合，学生对课程内容理解和掌握不深，考核后并没有将理论联系实际，导致学生应用效果也大打折扣。半导体物理中阐述半导体材料和器件的物理过程和基本原理，通过实验教学可以加深对理论知识的理解，同时培养学生的动手能力，拓展学生的创造性思维，对于专业学习能力的提高具有很强的促进作用。通过设计合适的实验内容，使学生能够更好理解、掌握和应用知识的能力，提高分析问题的能力，并努力解决研究过程中遇到的专业实际问题，对促进科研创新具有重大的意义。但目前，物理课程的讲授方式比较单一，有的学校并没有开设配套实验课程，或者实验以基础内容为主，简单陈旧，导致学生对新材料新器件新功能不了解，无法满足当前科学研究的需求。因此，如何通过实验教学，使学生能够理论联系实际，掌握并创新性运用半导体物理知识，是当前教学的另一难点问题。

二、根据科研方向的关键点把握教学内容

目前，半导体的发展呈现出更小更薄更新的趋势，大量的新材料新器件新功能层出不穷，在此基础上，通过追踪科学前沿，把握教学内容，对于学生的针对性学习具有重要的意义。

在半导体材料方面，低维材料展示出与三维材料截然不同的性质，受到学术界和工业界的广泛关注。传统的半导体物理针对三维块状材料进行分析，其物理尺寸远大于电子自由程，观测的电子输运行为具有统计平均结果。但目前的低维材料中，载流子的输运呈现显著的量子力学特性，难以利用传统的技术理论进行分析，例如量子点、量子线以及量子阱等。在教學内容设计中，适当引入新型材料的理论分析及研究成果，将极大拓展学生的学习兴趣。

在半导体器件方面，不同于电子输运过程的各种机理及功能表现出很大的发展前景。多年以来，以硅为基础的CMOS器件和以III-V族为代表的光学器件受到广泛研究，理论成熟但逐渐面临摩尔定律的终点。在此基础上，阻变、相变、铁电等新型的物理机理开始受到关注，研究基于这些机理的材料、器件和芯片，开发新型存储和计算应用，成为当前的研究热点。在教学内容设计中，通过分析新器件的物理机制，有利于学生结合理论知识进行思考。

在半导体功能方面，超越传统存储计算应用，适用于人工智能时代的范式受到广泛研究。电调制突触器件、光调制突触器件等新型物理器件表现出随着历史激励调制且能够保持的特性，能够适用于模拟生物神经突触的功能，或者作为存算一体应用，成为一种提升算力的备选方式，目前正在受到广泛的关注。在教学内容设计中，适当引入具有前景的应用描述，有利于学生开展针对性学习，提升学习的自信。

三、根据科研内容的重难点强化教学实践

目前，在核心电子器件的研究过程中，包括新型材料体系的开发、材料的生长与表征，以及新原理器件的功能调制，都属于科研内容的重难点问题，且都与半导体物理课程的基本知识相关，通过实践教学，强化学生的理解与掌握。

新型材料体系的开发，遴选合适的材料体系，对于器件的性能至关重要。例如金属电极材料与绝缘体、半导体材料的遴选，如果通过能带的调制或掺杂的手段，实现金属和半导体功函数的匹配，得到电阻很低的金半接触，从而降低接触状态对器件本身的效果，尤其是在二维材料与金属电极的应用中非常重要。又例如金属—绝缘层—金属结构中，不同功函数的金属与不同电子亲和势的绝缘材料组成，导致器件的导电机制不一致，对器件的性能调制产生不同的效果。

材料的生长与表征方法，对于材料本身的内部状态产生影响，从而影响器件的性能。例如，离子注入过程中，对于掺杂浓度对硅导电性能的调制是如何实现的，内部的物理机制是什么，通过实验教学能够直观展示理论知识的内容，因此对于学习效果的强化具有重要的意义。

采用半导体工艺及器件试验箱等实践方法，对促进半导体物理的教学具有良好的意义。总体来说，核心电子器件的研究过程中，需要包含器件的设计、基本功能实现以及低功耗、高寿命等可靠性优化等，都是在新原理器件研究中需要关注的，其中涉及半导体物理基本知识的运用，例如器件建模及工艺方法等等。在实验教学中，引入半导体工艺及器件实验箱，其中集成了各种基本的器件模型，以及各种工艺方法的基本实现，能够通过改变某些物理参数，产生不同的器件性能，直观展示器件的优化效果，达到强化理论知识的目的。

四、根据科研方法的逻辑性培养创新思维

科学研究方法对于指导科学研究、促进创新成果具有极大的推动作用。采用正确的科研方法，能够推动科学研究的重大进展，其中遇到的问题也能够得到满意的解决。在半导体物理课程的教学中，要关注学生创新思维的培养，鼓励学生根据所学知识进行创新创造，促进学习成果的转化应用。

首先，要重视基础理论知识的掌握。半导体发展的历史并不久远，其中大部分都是基于硅展开研究及应用，因此大部分的物理知识都是硅基的理论，例如晶体结构、PN结等。掌握好了一种材料的物理分析过程，就能够形成对于半导体材料及物理机制研究的基本印象，构建整个半导体物理体系的框架，对于理解和研究其他半导体材料具有一定的参考意义。万丈高楼平地起，掌握这些基本的理论成果才有可能为成果的创新奠定基础。

其次，要重视基本表征方法的应用。受限于目前观测手段的限制，半导体材料的研究难以完全实现精确测量或表征，大多数是根据材料或者器件在热、电、光、磁的外部激励下，测量其外部特性，同时结合内部缺陷或者原子的统计分布特性，建立定量的物理模型，这些物理模型能反映整个器件的基本性能。因此，采用多种不同的表征手段，交叉检验材料内部的结构或性质，对于优化物理模型和器件性能，都具有重大意义。

最后，要关注不同領域材料的借鉴。目前是科学交叉的时代，也是各领域融合发展的时代，不同领域例如新能源、新计算范式等对于半导体材料和器件的关注点并不相同，但其对于材料和器件的研究方法却大体想通。某个领域的研究成果会对另一个领域具有较大的参考价值，或者某个领域失败的研究成果可能回事另一个领域想要的成果。例如在相变材料的研制过程中，光学和电学都能够对其产生作用，因此在光学通信和电学存储计算方面都会有很大的发展前景，因此两个领域互相补充，共同促进材料和器件的发展。

五、根据科研成果的改进性评价教学效果

目前的半导体物理课程考核更多涉及理论知识的掌握与否，对于实际应用效果的考核并不关注，这也是导致学生并不关注知识转化应用的一个方面。在教学过程中，引入具体的科研器件研究成果，并引导学生展开课程实践，通过科研成果评价学生对课程知识的掌握效果，对于学生的思维水平也是很好的训练。

首先，教师要选择具有代表性的科研成果激发学生兴趣。当前是人工智能时代，AI芯片是目前的研究热点，其中的突触可以使用动态随机存储器、忆阻器、相变存储器等器件模拟生物中神经元或突触。这些基本器件的性能改善受到材料等各种因素的影响，通过物理分析和尝试，调制器件的基本性能，观测对于器件性能的改进，并据此撰写分析报告，阐述运用到哪些半导体物理知识进行器件性能的改进。

其次，教师要开展科研过程引导学生思考。基于学校具有的科研条件，教师开展半导体材料与器件的科研过程，根据学生的思考结果进行工程，让学生近距离观察科研过程的实施，并且根据实验结果分析出现偏差的原因。在此过程中，对学生的科学素养和能力培养，同样具有较大的意义。此外，学生的思维活跃，不惧怕失败，这也是科研过程中难能可贵的品质。

最后，教师要改进科研成果鼓励学生参与。在整个科研过程中，学生的参与感和主动性都被调动起来，这样既能促进学生掌握课程知识，也能够促进学生的创新思维培养。理论知识的教学，说到底是为了实际器件的改进，因此在此基础上对于学生进行评价，能够敦促学生关注课程教学内容的应用，同时实现对于学生综合素质的关注和培养。

六、结语

本文主要阐述了对于面向科学研究的半导体物理教学的思考。课程教学是为了学生掌握基本的知识，也是为了将来在实际工作中的应用。开展面向科学研究的半导体物理课程教学，促进学生掌握基本的半导体物理知识，估计学生进行科学研究创新，对于国家的半导体发展具有重大意义。因此，本文主要从教学内容、教学实践、创新思维和教学效果四个方面，开展面向科学研究的半导体物理教学探讨，希望能够对于半导体优秀人才的培养提供一定借鉴意义。

参考文献

[1]习近平：坚持中国特色社会主义教育发展道路，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/politics/leaders/2018-09/10/c_1123408400.htm，2018-09-10.

[2]科技部关于开展《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中期实施情况调查的通知[Z].国科发计〔2013〕24号，2013-01-28.

[3]教育部关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见[Z].教学〔2020〕1号，2020-01-13.