大类培养模式下“半导体物理与器件”的教学改革

汪 瑛， 王少熙， 周德云

(西北工业大学 微电子学院，陕西 西安 710072)

0 引言

随着半导体产业和集成电路的迅猛发展，微电子技术已经成为国民经济和社会发展的战略性产业，在推动经济发展、保障国家安全等方面发挥着日益重要的作用。当前，每年超过十万的高素质人才缺口是制约我国微电子产业发展的最大障碍。同时随着芯片技术、应用技术、整机技术和软件技术的融合，微电子产业对创造型、复合型精英人才的需求越来越高。因此高等院校微电子专业的人才的培养模式逐渐由“一专到底”的传统模式发展为“大类招生”的模式，开启了“通识教育”改革。

“半导体物理与器件”是微电子专业领域最重要的通识课程。微电子专业特点在于“微”，从微观空间量子力学、半导体物理性质出发，在量子空间的不确定性理论基础上，构建固体物理理论体系、微观载流子分布和运动规律，从而进入半导体器件世界，再逐步上升到芯片级的设计制造测试等各个方面。“半导体物理与器件”系统讲解了半导体物理的基础知识和半导体器件的工作原理、工作特性[1][2]。这门课的教学成效直接决定了学生对微电子专业后续教学内容理解的深度和广度，以及对整个专业课程系统的掌握程度。

然而，微电子学科并非一级学科，在大类培养制度下存在着专业分流不合理的问题，导致“半导体物理与器件”的学时短，基础理论教学不充分，容易培养出只懂表面的万金油式人才。长期以来，这门课程还存在教学手段单一，教学内容滞后等问题，无法满足大类培养“提高能力,因材施教,培养特色”的方针[3]。因此，在大类培养模式下开展“半导体物理与器件”课程的教学改革，对于微电子人才的培养有着十分重要的意义。

1 大类培养模式下“半导体物理与器件”课程教学现状与存在问题

“半导体物理与器件”是微电子专业的核心专业基础课,涵盖知识内容繁多，物理概念抽象，公式推导众多，有一定的深度和难度，具有较强的理论性、实践性、前沿性和科研性。其教学效果与学生的知识结构和就业以及未来发展的方向紧密相关。大类培养模式下，“半导体物理与器件”课程存在如下问题：

1.1 学时不足，基础理论教学缺乏

一方面，在大类培养模式下，学生进校前1-2年时间学习公共基础课和学科基础课，因此多数学校将“半导体物理”和“半导体器件”合并成一门课-“半导体物理与器件”，以此压缩学时。以我校为例，原先两门课的总学时为72学时(“半导体物理”32学时；“半导体器件”40学时)，大类培养模式下压缩为64学时。另一方面微电子学科的专业课繁多，多数高校并未将本科生按照材料、器件、集成电路方向进行再分类，导致微电子学科基础课程如“量子力学”、“固体物理”等进一步压缩或删减。

而“半导体物理与器件”涵盖了数理方程、量子力学、固体物理、半导体材料物理以及半导体器件物理等内容，涉及的知识面广而深，内容多，在较少的课时中很难将内容全面展开讲授。这容易导致教师在讲解理论知识时填鸭式强制铺述，甚至部分内容和公式直接给出，缺乏引导性和趣味性。学生学习时感到头绪繁多，难以理解，产生畏学和厌学情绪，不利专业知识融会贯通，也不利于拔高知识深度和提高创新能力。著名的微电子领域的专家，中科院院士郝跃教授也强调，“微电子人才培养的要素之一是加强基础性课程的体系建设。尤其保证微电子、物理、数学等基础性、主干性课程学时充足，内容合理，能够系统化地向学生讲授”。

1.2 缺乏实践教学内容

微电子是一门与科学实验、工程实验紧密结合，实践性极强的学科，必须强化实践环节，培养学生动手能力和理论联系实际的能力。然而在实际教学过程中，由于实验条件所限，本科生很难有机会进行相关实验操作，日常实践机会不足，学生难以提高认知能力和动手能力，实现从感性到理性的提升。

1.3 教学内容陈旧，滞后时代的发展

当今，全球微电子领域发展飞速，知识更新速度快，不断有新技术新理论出现，各个学科之间的融合交叉越来越重要，而目前来讲，“半导体物理与器件”课程往往只是机械地把“半导体物理”与“半导体器件”课程合并起来，内容陈旧，滞后时代的发展，难以做到新旧知识的融合，理论与实际的衔接。因此迫切需要对教学内容和教学方式加以改革。

2 “半导体物理与器件”的教学改革具体措施

综合上述，根据大类培养“加强基础,提高能力,因材施教,培养特色”的指导方针，紧跟科技的发展动态，结合课程特点，可采取以下措施对课程进行改革：

2.1 加强基础理论教学

“量子力学”、“固体物理”、“热力学”等课程基础的理论知识奠定了学生对“半导体物理与器件”这门课程的理解深度。例如，“量子力学”是“固体物理”与“半导体物理”的先导课程和理论基础，随着微电子器件高集成度发展，器件尺寸到纳米级，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述粒子的行为[4]；“固体物理”课程使学生掌握晶体的结构及缺陷、晶格振动、电子能带理论等知识[5]；“热力学”与“统计物理学”对化学势的讲解使学生可以更好地理解贯穿半导体物理始终的重要物理量费米能级[6]。大类培养模式中，学时的限制大大提高了开设“量子力学”、“固体物理”等先修课程的难度。

一方面，要求教师必须根据学生的数学物理基础，合理安排好教学内容，抓住重点和难点，对原有的教材进行合理的补充更新，穿插在各个章节，补充量子力学，固体物理等知识，让学生更好的理解半导体物理知识，但由于课时的要求这种补充是十分有限的。

另一方面由于学时的限制，可以根据微电子专业的特点精选出“量子力学”、“固体物理”、“热力学”与“统计物理学”等物理基础课程的重要内容，将这几门先修课合并压缩成一门课程，可称为“微电子理论物理导论”，作为专业基础课。目的是在较短的课时中快速地为后续的“半导体物理与器件”、“纳米电子器件”、“量子器件”等专业核心课程奠定必要的理论基础。

2.2 加强实验，培养学生创新实践能力

“半导体物理与器件”课程是学生接触微电子领域实验的开始。在这门课程中，应该理论联系实际，培养学生的实践能力和创新能力，发挥研究性学习的作用。在教学改革中应加强实验课时，根据学校的实验条件，选出代表性的实验让学生实践。比如，探针测试半导体电阻率、高频光电导法测少子寿命、半导体器件直流参数的测定、肖特基二极管I-V特性测试、MOS器件C-V特性测试等。在教师的引导下，学生能够独立地完成实验并撰写实验报告，运用课堂理论分析实验结果，发现问题，延伸课外知识的宽度，逐步对科研产生兴趣。

2.3 利用TCAD软件，将理论教学具象化

将TCAD软件(如Silvaco,Sentaurus等)引入到课堂，可将枯燥的理论讲解生动化，达到事半功倍的效果。例如，Silvaco是全世界流行的半导体仿真软件，该软件已通过教育机构认证，可提供全套EDA 和TCAD 软件用于研究和教学课程。可以进行半导体工艺和器件仿真，Spice参数提取，电路仿真、全定制IC设计/验证等。将Silvaco引入“半导体物理与器件”课程的教学中，能够可视化地演示各项散射因素对半导体材料迁移率、电导率及电阻率的影响，同时还能让学生理解不同半导体的能带结构，掺杂对费米能级的影响，及重要器件的工作特性。在讲解PN结和肖特基二极管时，Silvaco可以结合模拟计算及图像展示，使学生更容易理解两种二极管不同点，欧姆电极和肖特基电极的区别，以及结端结构如何影响肖特基二极管的击穿特性等。TCAD软件走进课堂，可使学生接触并掌握当代科研方法，参与科研项目，为日后的科研及就业奠定基础。

2.4 分享半导体的故事，启发式教学

专业课的教学，不是单纯地把知识点呈现给学生，还应该注重分享知识理论的背景。在“半导体物理与器件”这门课程的教学中，可以和学生分享半导体理论、材料、器件的诞生和发展历史。一方面可以提高学生学习兴趣，改善教学氛围，另一方面，可以有效地启发学生如何提高探索创新的能力。例如在讲解多能谷半导体材料和谷间散射的知识点时，可以讲解电子转移器件(耿氏二极管)的诞生历史。科学家耿在测量n型GaAs二极管的电流特性时，发现了电流的不稳定性，其他科学家认为这是噪声，而耿反对这一观点，通过反复实验，最终发现当电压稳定一定范围内，二极管可以自发的产生电流振荡，耿质疑和坚持的精神，让他发现了电子转移效应的存在，并将这种重要的微波器件命名为“耿氏二极管”。通过这个故事，不仅仅可以将各个知识点贯通起来，还可以培养学生在科学研究中质疑和探索精神。

在教学中也应积极分享我国在微电子领域的故事，及领军人才的成长历史。这些内容可以增强学生的民族自信心、自豪感，以及为解决国家卡脖子问题而奋斗的责任心。在讲“半导体物理与器件”绪论，介绍第三代半导体材料时，可以分享郝跃院士的故事。早在二十世纪九十年代，郝跃院士去美国学术交流，敏锐地意识到宽禁带半导体材料的巨大潜力。然而国内鲜有人研究， 最大的困难是国内没有生产宽禁带材料的设备。回国后，郝院士毅然决然地说：“上！哪怕挤出钱来也要上！”靠着坚定的信念，以及不怕吃苦的精神，经过了几十年的奋斗，郝院士的团队终于走在了别人的前面，为国家的微电子事业做出了重要的贡献。个人的命运与国家命运休戚相关，年轻人要坚持自己的信念，不能轻言放弃。榜样的力量因真实而打动人心，可以激发学生的奋斗精神。

2.5 紧跟科技动态，加强前沿半导体知识的学习

微电子技术在全球具有重大的战略意义，是当代发展最快的技术之一，不断地出现新材料和新技术，因此要求“半导体物理与器件”课程必须与时俱进，紧跟世界前沿，关注国家导向。半导体物理技术与实际生活息息相关，如陶瓷技术、新能源技术、光伏技术等等。作为基础的硅材料在全球已形成巨大的产业，而硅基异质材料、宽禁带材料、二维材料、柔性材料等新型半导体材料正成为全球半导体材料领域研究与发展的热点。

在“半导体物理与器件”的教学中，应抓住机会，巧妙地展现半导体技术在实际生活中的应用和飞速发展。通过课堂科普，邀请专家开设专题讲座、网络课程、微信公众号、短视频、增设选修课程、分享学术文献等多种途径和方式，开拓学生的视野，让学生了解当代半导体领域的研究热点及产业需求。作为教师，要坚信学生强大的学习能力和创作潜能。可以利用本科导师制，让学生根据自己的兴趣选择合适的导师，投入到导师的创新型课题中，或者参与更多的竞赛及国家的大学生创新创业计划。在大类培养中，潜移默化地增加学生的专业认同感，培养学生自身发展和不断创新的能力，高质量地培养微电子领域的人才。

3 结语

“半导体物理与器件”是微电子专业不可或缺的一门专业基础课，奠定了后续所有专业课的理论基础。我们分析了“半导体物理与器件”存在的种种问题，贯彻大类培养的原则，从教学内容和教学手段出发提出了教学改革方法。合理编排教学内容，重视基础理论教学，重视实验教学，将TCAD软件引入课堂，使教学内容形象化，重视启发式教学，加强前沿内容的教学。目的是紧跟当今半导体产业飞速发展的要求，因材施教，高效地培养微电子领域的人才。大类培养模式还在探索中，需要更多的教育工作者投身到微电子基础学科的教学改革中。