半导体物理与器件课程教学模式改革初探

张学亮

(贵州理工学院，贵阳 550003)

新能源材料与器件专业与新能源、新材料产业密切相关，目的是研究开发下一代高性能、绿色、低碳的能源新材料、新技术与器件(如新型化学电源、燃料电池、太阳能电池和电解水材料)[1]。本专业拟培养新能源材料专门人才，要求掌握新能源材料的基本理论、制备过程、测试技术与分析方法，了解下一代能源材料科学的发展方向，具备开发新能源材料、研究新工艺、提高和改善材料性能的基本能力[2]。

半导体物理与器件作为新能源材料与器件的专业基础课程，对学生了解半导体科学的理论基础有重要意义，可以帮助学生认识、了解和掌握常见半导体器件的物理特性和相关应用。该课程的教学效果与学生的知识结构紧密相关，有必要对半导体物理与器件课程进行教学建设与改革。

1 半导体物理与器件课程的教学现状

1.1 缺少合适教材

对于半导体物理与器件课程来说，国内外都有一些经典教材，如国内刘恩科，罗晋生等主编的《半导体物理学》，施敏等编著的《半导体器件物理》，国外Donald A.Neamen编著的《Semiconductor physics and devices》等。但现有教材大都不适用于工科学校，因为教材中繁琐的理论和公式推导加大了学生的学习难度，影响了教学质量。同时，教材中内容过多，不利于学时较少的非物理专业进行教学安排，而且有些专业知识对于刚接触专业课的学生来说有一定困难。

1.2 公式推导难度大

半导体物理与器件课程理论深奥、学科性强、公式推导复杂，缺乏引导式的教学方式，达不到理论知识和实际应用相衔接的目的，导致教学效果不佳[3]。应用型本科类高校在半导体物理与器件课程上的学时分配较少，很难抽出时间对教材中的公式进行全部推导，而学生自己推导又存在困难。

1.3 课程排布不具有连续性

半导体物理与器件课程一般安排在第五学期，要求学生先修完高等数学、大学物理、材料科学基础、固体物理、量子力学等相关课程。但由于不同专业方向对学生的培养目标不同以及课时冲突，上述课程不能完全安排。教师在讲授半导体物理与器件课程之前，需花费很多时间来补充晶体结构、量子力学基础、能带论等内容。

1.4 教学模式过于僵化

多媒体是一种很好的教学方式，高校也配备了多媒体教学设备，但不管是单独用板书还是单独用多媒体，或者是板书与多媒体相结合，学生都会对教师或板书产生依赖心理，而且会对课程中的公式推导过程选择性忽视，只记住其中的结论，教学效果不理想。

2 教学改革内容与具体方法

2.1 结合学校定位和专业特色选定合适教材

贵州理工学院是一所以工学为主体，工学、理学、管理学、经济学等多学科协调发展的理工类本科院校。学校的人才培养方案是根据CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)思想制定的，强调教学必须以学生为中心，充分调动学生主动学习的积极性。

教学模式为OBE模式(Outcomes-based education)，强调学生最后取得的学习成果。在OBE模式的指导下，每门课程必须清楚制定出学生学习完该课程后应达到的能力和水平，并通过教学文件中制定的相应教学内容来完成，注重培养学生的工程实践能力。为达成此目标，在选择教材时应偏向理论推导相对简单、以器件为主和面向应用的教材。

2.2 结合学生特点编制教学文件

半导体物理与器件课程的概念多、公式多，如果只是向学生灌输抽象的概念，则很难提高学生的积极性，容易使学生进入越理解不了越记公式，越记公式越理解不了的恶性循环。

结合学生的实际情况，对教学文件进行了如下改善：首先，在导论部分就让学生清楚了解课程结构，通过观看精心选择的多媒体文件来让学生对本课程所学有一个认识。其次，对课程知识点进行串联，让学生了解每一章所对应的内容，举一些实际例子，让他们熟悉教师的讲授线索和讲课风格。最后，要用通俗易懂的语言让学生对相关概念进行联想。例如，在讲晶体结构时，可以座位为例来讲授点阵、晶面、晶向等概念。

在讲授电子迁移时，可以让学生想象水的流动。在讲能带结构时，可以将费米能级比作水平面，异质结之间电子的迁移可以看做是水流的运动。

2.3 采用多种专业软件使基本公式可视化

随着微电子技术的迅速发展，一些计算机辅助及模拟软件逐渐被应用于科学研究中，这些软件具有清晰的界面，可将一些物理现象可视化，非常适合引入半导体物理与器件课程教学中，比如MATLAB、Aether、Mathematica等软件。

MATLAB是Mathworks公司出品的一款功能强大的商业数学软件。在半导体领域，可以用MATLAB软件模拟一些物理现象，并分析器件的特性，使结果以图形化输出[4]。

使用MATLAB软件辅助教学可以帮助学生掌握公式在实际分析中的运用方式，形成图像记忆，培养学生解决实际问题的能力。例如，费米分布函数f(E)是一个重要概念，它描述了在热平衡条件下能量为E的量子态被电子占据的概率。对于非物理专业的学生来说，刚开始接触这个概念理解起来非常困难，而应用MATLAB就可以让学生清晰直观了解费米分布函数受温度影响的规律[5]。

Aether软件是我国自主研发的集成电路设计软件，可以对器件和电流进行仿真模拟。将Aether软件引入半导体物理与器件课程教学中可以使学生理解半导体器件的工作原理、电路特性以及参数对性能的影响，使教学内容更直观。例如，在降解MOSFET结构时，利用Aether软件可以对电路进行仿真，使学生更深刻认识到MOSFET结构的特点以及各个参数对输出电路的影响[6]。

Mathematica软件是一款科学计算软件，较结合了数值和符号计算引擎、图形系统、编程语言、文本系统，可以利用其开发半导体物理与器件课程的实验仿真平台。这样既可以减少对实验仪器设备的投入，又可以让学生通过实验来验证物理模型和理论公式，加深对半导体物理概念和器件原理的理解[7]。