浅谈“半导体器件物理”教学改革

钟英辉， 弓巧侠， 李梦珂， 马刘红， 段智勇

(郑州大学 物理学院，河南 郑州450001)

0 引言

随着全球信息化进程加快，集成电路发展规模已成为衡量国家产业竞争力和综合国力的重要标志。近年来，中美贸易摩擦为我国带来深刻启示，关乎国家经济发展和国防安全的核心技术必须掌握在自己手里，集成电路基础研究、行业发展和专业人才培养受到了国家和各级政府高度重视。半导体器件作为集成电路核心基础技术，是衔接半导体材料和集成电路的桥梁，相关知识势必成为电子技术人才培养重点基础内容。

“半导体器件物理”课程主要讲授对象包括：PN结二极管、双极晶体管(BJT)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等，内容涉及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等。课程教学目的是让学生从理论和实际方面理解集成电路半导体器件，为集成电路工艺和设计打下理论基础。

半导体器件物理课程涵盖知识点众多、物理概念抽象、公式推导繁琐，是理论性和实践性并重的课程，同时还需结合前沿发展动态。课程教学效果与学生的知识结构、就业、未来发展方向紧密相关，因此结合专业基础、时代发展进行教学改革，为国家微电子行业培养应用型、创新型人才，具有重要意义。

1 “半导体器件物理”教学面临的问题

在危机中育新机，在变局中开新局。目前，高水平半导体专业人才的缺乏是限制微电子行业发展的瓶颈，针对高校育人为本的办学宗旨，为国家和社会培养优秀的微电子专业人才迫在眉睫。其中，首要的是正确认识半导体器件物理教学面临的诸多问题：

1)学生相关基础知识储备不足

“半导体器件物理”课程涉及能带、载流子输运、缺陷态等众多物理概念，理论性强，推导过程繁琐，半导体器件结构和工作条件多样复杂。要求学生具备扎实的“量子力学”、“固体物理”、“半导体物理”及“统计物理”等前导课程基础知识。我校地处微电子行业欠发达地区，因为师资力量薄弱、实验平台落后等众多原因，课程开设缺乏系统性、框架性，学生往往欠缺相关基础知识储备，知识点难以衔接，且自行弥补困难。因此合理的课程体系设置对学生有效利用课堂时间进行半导体器件工作原理的理解和掌握将非常必要。

2)半导体技术日新月异，教学内容更新滞后

随着人们对智能化生活和生产的追求，半导体科技和产业发展日新月异，传统硅基BJT和FET等有源器件无法满足高频集成电路需求。新材料、新理论、新结构的半导体器件不断涌现，半导体器件物理内容不断丰富扩充。如：异质结晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、鳍式场效晶体管(FinFET)、纳米线场效应晶体管(NWFET)等。目前，半导体器件物理大多实行“填鸭式”灌输教学，学生多半被动接受知识，教学手段单一。在有限的课时内很难做到对前沿发展的动态跟进，从而使得理论知识和现实技术发展需求脱节，很难取得预期的理想教学效果，实现高素质实用型人才培养目标。

3)纯理论单一教学模式的限制，学生动手实践能力欠佳

半导体器件物理课程知识点理论性较强、晦涩难懂，同时器件结构理论、加工和测试等环节相辅相成、密不可分。然而，半导体器件制备和测试过程涉及的设备、耗材都较昂贵，耗时较长，还可能涉及强酸、强碱等危险环境。多数高校教学过程中多以公式推导、理论计算、概念分析为主，学生很难在课堂上消化理解，长此以往甚至让学生丧失信心、失去主动学习的动力和兴趣。纯理论的单一教学模式，导致学生理论认识不深刻、不系统、理论知识和动手实践脱节，具有实践经验和创新意识的微电子人才培养严重滞后。

2 “半导体器件物理”教学改革举措

针对上述课程教学中存在的问题，通过专业知识体系建设、教学方法改进、培养模式探索等举措，帮助学生构建系统的专业知识框架，为后续课程和科研活动夯实基础，提高学生学习兴趣和知识接受能力，为高水平、高素质、强能力的微电子人才培养奠定良好基础。

1)系统性教学框架建设

结合微电子方向学生专业基础知识薄弱的现状，将遵循重视知识框架体系建设，适当降低对具体知识点的理解深度要求。教学框架结构主要包括三个方面：半导体物理基础知识、半导体器件工艺常识、半导体器件工作机理。对半导体物理基础知识进行梳理，包括：半导体晶体结构、原子能级和晶体能级、能带、电子和空穴、掺杂、输运特性、费米能级等概念。半导体器件工艺部分以MOSFET和BJT晶体管工艺流程为主线，着重介绍光刻、刻蚀、淀积、电子束蒸发等工序。半导体器件工作机理部分重点介绍传统集成电路有源器件基本结构、载流子输运、电气特性参数等知识点，包括：PN结、双极晶体管、场效应晶体管、半导体光电器件。帮助学生构建完整的半导体器件知识框架体系。

2)虚拟仿真实践教学模式探索

由于半导体工艺耗时较长、设备价格昂贵、实验过程涉及强酸、强碱危险环境等原因，对于半导体器件方面的实践教学可通过虚拟仿真方式开展。具体可以采用基于Sentaurus-TCAD或Silvaco-TCAD半导体器件虚拟仿真平台进行BJT和MOS等半导体器件的结构搭建、物理模型建立和器件特性仿真：① 基于SDE模块的半导体器件结构建立；② 基于SDevice模块的半导体器件物理模型建立；③ 基于Tecplot工具的数据可视化；④ 基于Inspect工具的器件特性输出。通过虚拟仿真实践操作演练，加深学生对器件结构、器件工作原理、器件仿真方法和流程的理解掌握，增强学生虚拟仿真实践动手能力。

3)网络学习平台建设，调动学生课后学习兴趣

随着信息化、智能化应用发展，智能终端在人们生产生活中扮演了极大的作用。可建立课程网络学习平台，一方面为学生的课后学习提供丰富的素材，包括：HBT、HEMT、FinFET、NWFET等前沿半导体器件专题介绍；半导体物理、半导体加工、集成电路设计等上下游经典慕课视频，虚拟仿真案例课件；另外，学生可通过在线平台访问仿真软件，不受时间和地域限制地进行半导体器件仿真实践练习。通过课后在线学习，解决课时不足的问题，让学生掌握学科发展前沿，激发学生学习热情和积极性，并提高了实验平台利用效率。

3 结语

集成电路作为电子系统神经中枢，逐渐渗透应用到电子信息各个领域，半导体器件物理作为电子科学与技术专业集成电路方向的核心基础课程，是电子技术人才培养重点内容。通过创建系统知识框架，让学生全面掌握半导体器件物理理论知识；通过虚拟仿真实践教学模式，加深学生对器件物理、仿真方法和流程的理解掌握，增强学生虚拟仿真实践动手能力；建设网络学习平台，调动学生课后学习兴趣。在信息技术高速发展的今天，人才培养也需要与时俱进、课程教学教改实践永远在路上。