半导体器件物理课程的基本理论创新与教学实践

揣雅惠 白昱 岳丹 母一宁 刘春阳

[摘           要]  半导体器件物理作为电子科学与技术学科中的基础专业课程之一，该课程教学质量的高低直接影响高等院校电子科学与技术专业人才培养的质量。所以，教师在开展教育教学活动时，应该以地方性本科院校人才培养目标为依据，深入分析该学科教学实践中存在的问题，并以此为基础制定具有针对性的教学策略，才能在调动学生学习热情，帮助学生加深对半导体器件物理知识理解和认识的基础上，促进学生工程实践能力与创新精神的全面提升。主要就半导体器件物理课程的基本理论创新与教学实践进行了分析探讨。

[关    键   词]  电子科学与技术;半导体器件物理;教学改革

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2021）06-0148-02

半导体器件物理课程既是半导体科学的理论基础，更是当今迅速发展的IC芯片的关键。由于该课程中针对半导体物理特性与相关器件的阐述涉及的内容繁多，物理概念抽象，而且需要推导的公式很多，所以是一门集理论性与实践性相结合的专业化课程。该课程作为高校电子科学与技术、光电信息科学、工程专业以及应用物理专业的核心必修专业课程，不但具有突出的理论性、实践性、前沿性和科研性特点，而且其教学效果对学生知识结构的形成、就业以及未来发展有着决定性的影响。所以，各个高校必须紧跟时代发展的脚步积极推动半导体器件物理教学模式的改革与创新，才能培养出符合企业发展需求的应用型与创新型人才。

一、半导体器件物理课程教学现状

（一）课程难度较大

半导体器件物理长期以来都是教师难教、学生难学的课程。由于该课程包括大量的理论阐述与推导内容，要求学生必须具备良好的数学、物理、量子力学等专业基础知识，才能确保该课程教学活动的顺利开展。但是由于受到学生基础薄弱等因素的影响，教师在教学过程中发现，对于一些简单的数学知识学生也无法完全掌握，因此也在一定程度上增加了教师的难度，导致基础能力薄弱的学生无法跟上教师教学的节奏，制约了教学质量和效果的有效提升。

（二）教学模式单一

半导体器件物理采用以知识传授为主的授课方法，不但涉及很多微观物理结构与现象，而且因为知识点过于枯燥抽象，挫伤了学生学习的兴趣，影响了学生创新能力培养的效果，增加了学生学习和理解知识的难度。所以，教师在开展教学活动时，应该根据课程教学内容的特点和要求，合理运用多媒体、视频、实践教学等手段丰富课堂教学的内容，然后开展分组课题讨论、专题讲座等方式，引导学生主动探索和学习知识。

（三）学生参与度低

由于受到半导体器件物理课程教学难度较大等原因的影响，很多学生在学习该课程时都出现了参与度普遍偏低的问题。针对这一问题，教师在开展课程教学活动时，要求学生不但要充分重视课堂教学开始前的知识预习工作，而且应在课堂教学结束后，根据教师讲解的知识点，巩固课堂教学的知识，然后采用随堂测试的教学方法，检验学生重点知识掌握的情况，以便于教师及时进行教学内容的调整和优化。

二、半导体器件物理教学改革措施

（一）依据学生特征，优化大纲设计

由于半导体器件物理课程具有内容较难的特点，如果教师仍然采用传统的理论教學、填鸭式灌输抽象概念、死记硬背公式的教学方法，不仅无法调动学生学习该课程知识的积极性和主动性，还会导致学生产生严重的抵触情绪，影响该课程教学质量和效果的提升。所以，高校教师应该根据本课程的特点以及学生学习的实际情况，从以下几方面着手，积极进行教学模式的改革与创新。首先，为学生留出一定学时，要求学生了解晶体结构、周期性结构等知识，强化学生对半导体晶体结构的理解和认识，为学生后期学习物理与器件课程的知识奠定坚实的基础。其次，教师必须在学生学习具体器件的知识时，摒弃教材中琐碎且理解难度较大的知识点，将“器件结构→能带结构→载流分布→载流子运动→电流电压特性”作为教学活动开展的主线，引导学生学习课程教学中出现的双极性晶体管、PN结、MOSFET、金属半导体接触等器件，按照从结构带动理论的思路，帮助学生加深对器件特性的理解和认识。此外，教师在开展教学活动时，应该尽可能使用浅显易懂的语言，降低学生理解和掌握知识的难度。

（二）优化整合课程教学内容

由于通常所使用的半导体器件物理的教材和它的先修课程半导体物理在内容上有所重叠，因此，针对这一情况，教师应该在积极优化和改进传统授课方法的基础上，认真进行教学内容的调整，并以此为基础确定半导体器件物理课程的重点基础知识。首先，半导体物理知识的重点主要集中在晶体结构、晶体中电子的运动、半导体导电机制、半导体导电类型、平衡半导体和非平衡半导体等方面，与半导体器件物理前部分内容联系密切，需要确保半导体物理基础知识与半导体器件物理的自然衔接。其次，详细介绍半导体器件基本特征与特性。教师在课程教学过程中，介绍PN结、晶体管时，应该将PN结和晶体管结构与能带、电流与电压特性等内容作为知识讲授的重点，才能在帮助学生加深对金属半导体接触情形等知识的理解和认识的前提下，为学生后期的学习和成长提供帮助。最后，根据实践需求与学生工程能力培养的实际情况，制定半导体工艺基础知识讲授的策略，详细向学生介绍半导体晶圆与芯片制造工业的步骤，组织学生讨论如拉单晶、表面蚀刻、光刻技术等半导体工业的基础知识，帮助学生在正式进入企业定岗实习前做好知识的储备工作。通过对教学内容的深度优化，确保课程设置的科学性与合理性，并在进一步强化PN结、晶体管知识讲授的基础上，增加了与半导体工艺基础相关的内容，实现了从教学内容上将半导体经典理论与工业发展紧密融合、课堂教学与工艺实践相互融合、基础知识学习与学生工程实践能力培养相结合的一体化的固体与半导体物理课程教学体系，促进了学生工程实践能力培养效果的有效提升。

（三）教材讲义内容需要结合教学特色

由于半导体器件物理课程教学与普通的物理类或者电科类专业课程教学存在着很大的差异，所以很多高校在开展课程教学时，都出现了适用教材较少的情况。虽然半导体器件物理方面的教材内容非常详实且分析得透彻入理，但是由于这些教材不但内容多，而且涉及的知识面较深，再加上教材中的数学计算、推导复杂程度较高，也在一定程度上增加了学生学习的难度。为了彻底解决这一问题，教师在选择以半导体器件为主的教材时，应该根据学生学习的实际情况，编写教学讲义供学生参考和使用。在教学讲义编写的过程中，应该尽可能根据本校情况修改教材中的内容，重点向学生讲授教学主线中涉及的开关特性、非均匀掺杂等知识点，充分发挥自编教学讲义的特点，调动学生学习的积极性和主动性。

（四）培养实践能力和创新精神

教师在开展半导体器件物理课程教学时，应该充分发挥理学院大学物理实验室与专业实验室的优势，为学生设置具有针对性的半导体器件物理实验内容。这就要求教师在开展教学活动时应该将专业实验纳入半导体器件物理课程教学中，例如二极管开关特性实验、双极型晶体管频率响应、放大特性实验和MOSFET开关实验，也可以搭建集成电路器件以及工艺设计模拟平台，使学生在理论理解以及实践过程中充分发挥应用性与创造性思维，培养实践应用与创新能力。要求学生在明确实验对应的半导体理论知识的基础上，在实践实验操作的过程中，检验自身对半导体器件物理知识的掌握情况。经过这样的实验过程，学生不但掌握了半导体器件的特性测量和基本电路测量的方法，熟悉了origin绘图软件与实验数据处理的相关方法，而且加深了对半导体发光原理、光伏特性、非对称整流特性等知识的理解和认识，拓展了学生的思维，为学生更加感性地掌握和理解与半导体器件物理相关的知识奠定了坚实的基础。

（五）加强课程微信公众号建设

网络信息技术迅速发展的过程中，智能终端设备与大学生生活的联系也越来越密切。作为高校来说，应该通过建设半导体器件物理课程微信公众号的方式，设置与半导体器件物理基础知识、半导体理论模拟计算、物理实验、科研就业等相关教学内容的方式，充分发挥动画、视频、物理实验等教学方法的优势，将半导体器件物理相关的理论知识完整地呈现在学生的面前。随着教学内容的不断丰富，学生在学习过程中可以根据自身学习的实际情况，合理利用课余时间学习半导体的知识，冲破了时间和空间的限制，推动学生养成了良好的半导体器件物理课程学习习惯，促进了半导体物理课程教学质量的有效提升。

（六）采用多种考核方式

传统的以教师为主导的半导体器件物理教学模式已经无法满足新时期高校半导体器件物理课程教学的要求。为了调动学生学习的积极性和主动性，教师在开展教学活动时，必须以教学主线为核心，采取课本讲授与专题相结合的教学方式，推动该课程教学活动的有序开展。在考核过程中加入应用创新能力的考核目标，实现对考核模式的改革。将学生考核具体分为三个节点：平时成绩、实验考核和期末考核。其中实验考核环节，需结合本专业人才职业能力与素质需求，展开实验完成质量、问题分析与解决能力、团队协作能力以及知识掌握程度几个维度的评价，得出学生的平时学习表现成绩。避免因为学生学习评价手段和标准过于单一，影响半导体器件物理课程教学效果的提高。

三、结语

高校教师在开展半导体器件物理课程的教学时，必须紧跟时代发展的脚步，积极探索和研究该课程教学的策略和方法，才能适应新形势对高校半导体器件物理课程教学提出的要求。此外，高校教师应该在深入分析半导体器件物理课程教学中存在的主要问题的基础上，根据地方性院校应用型人才培养的目标，优化活动，完善特色教学内容，并以此为基础加大半導体器件物理课程教学的实践训练力度，促进学生扎实掌握基础知识、工程实践能力与创新精神的全面提升，培养出符合社会发展需求的新能源人才。

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编辑 张 慧