半導(dǎo)體物理教學(xué)改革與實踐
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摘要：“半導(dǎo)體物理”是微電子科學(xué)與工程等工學(xué)專業(yè)最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。為了適應(yīng)工程教育專業(yè)認證對人才培養(yǎng)的要求，筆者以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，通過改革授課方式、授課內(nèi)容以及借助于多種媒體教學(xué)手段進行理論、實踐和創(chuàng)新為一體的半導(dǎo)體物理教學(xué)改革和實踐，不但提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，而且增強了學(xué)生綜合利用所學(xué)知識解決工程實踐問題的能力。
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；工程教育；教學(xué)改革；工程實踐
工程教育專業(yè)認證是工程教育質(zhì)量的重要保障，有利于促進工程教育改革，提高工程教育質(zhì)量，增強工程教育人才適應(yīng)社會的能力。半導(dǎo)體物理作為半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是微電子科學(xué)與工程、集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)等工程教育專業(yè)所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對學(xué)生深入學(xué)習(xí)專業(yè)知識，增強解決實際工程問題的能力具有重要的作用。然而現(xiàn)有半導(dǎo)體物理的教學(xué)方式仍以注重理論知識傳授為主，忽略了學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不能滿足國家工程教育專業(yè)認證的要求。為了解決這種以理論教學(xué)為主而忽略工程實踐的關(guān)鍵性問題，學(xué)校以CDIO即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）的工程教育理念為指導(dǎo)，將理論、實踐、創(chuàng)新融為一體，構(gòu)建符合現(xiàn)代工程教育的半導(dǎo)體物理教學(xué)，通過融入工程教育思路的半導(dǎo)體物理教學(xué)改革，全面提升學(xué)生創(chuàng)新意識和解決工程實踐問題的能力。
一、半導(dǎo)體物理教學(xué)現(xiàn)狀分析
1.課程注重理論知識講授，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力不足
目前半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)過程以理論講授為主，主要講解基本物理概念和理論，缺乏與實踐結(jié)合的綜合性案例分析來指導(dǎo)學(xué)生進行工程實踐。雖然筆者所在學(xué)校已在整個半導(dǎo)體物理的教學(xué)過程引入了研究性學(xué)習(xí)的思想，將科研中涉及半導(dǎo)體物理的主要知識點融入教學(xué)中，但學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的理論知識解決半導(dǎo)體材料、工藝和器件中問題的能力還不夠。學(xué)生還需在老師的指導(dǎo)下進一步進行實踐和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，提高工程設(shè)計意識和綜合工程設(shè)計的能力。
2.課程知識點繁多，學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性不高
半導(dǎo)體物理教學(xué)涉及的知識面廣，基本概念多，理論繁瑣，內(nèi)容深奧復(fù)雜。同時學(xué)生對先修相關(guān)知識點的掌握不是很透徹，導(dǎo)致知識點前后難以銜接，學(xué)起來會感到頭緒繁多，難以理解。此外，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展非常迅速，新的理論和研究成果不斷呈現(xiàn)，知識更新快、學(xué)科交叉更深入，因此教師很難在有限的授課時間里覆蓋所有內(nèi)容。而此時學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和探究問題的能力就變得更加重要，但是由于該課程概念多、理論深、公式復(fù)雜，學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性不高。
3.配套教學(xué)資源不足，學(xué)生對抽象知識的理解不深刻
半導(dǎo)體物理涉及的物理概念多，理論復(fù)雜，由于實驗條件和學(xué)時的限制，學(xué)生不能通過實驗來驗證物理過程，學(xué)生對物理的概念和理論通過抽象的記憶性理解，因此這種理解不深刻。雖然有些高校采用一些仿真課程輔助半導(dǎo)體物理的教學(xué)，PPT中也增加了一些動畫幫助學(xué)生理解物理過程，但這些輔助的效果不十分理想。所以，教師在教學(xué)中增加與實踐問題相關(guān)的教學(xué)案例，完善多媒體教學(xué)課件內(nèi)容是非常必要的。
二、教學(xué)方法的改革和實踐
1.采用CIDO工程教育理念的教學(xué)模式
傳統(tǒng)的教學(xué)方法采用課堂講解、習(xí)題練習(xí)、課后答疑等集中式教學(xué)方式，注重的是理論的思考過程，沒有將解決工程實踐問題作為授課的導(dǎo)向。工程教育專業(yè)認證強調(diào)的是以學(xué)生為中心的教育理念，以成果作為教育的取向。我們以CIDO工程教育理念為教學(xué)思路，改變原有以教師為主的教學(xué)組織形式，采用以學(xué)生為教學(xué)主體，老師為輔的教學(xué)模式。在教學(xué)過程中加強學(xué)生的形象思維的訓(xùn)練，在課堂上通過創(chuàng)設(shè)工程問題情景，展現(xiàn)問題形成過程，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和實踐創(chuàng)新的積極性，探索出培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才有效的教學(xué)方法和教學(xué)手段。例如，在學(xué)習(xí)了第二章雜質(zhì)的補償作用后，提出怎樣利用雜質(zhì)的補償原理來制備各種不同特性的N型和P型材料，怎樣制備出形形色色的半導(dǎo)體器件的問題；在學(xué)習(xí)了第三章雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度隨溫度和雜質(zhì)濃度的分布后，提出怎樣測試雜質(zhì)的電離能和半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的問題；在學(xué)習(xí)了第五章復(fù)合理論和陷阱效應(yīng)后，提出光電探測器暗電流的主要產(chǎn)生機理是什么，采取怎樣的措施能減小暗電流的問題；在學(xué)習(xí)了第八章MIS結(jié)構(gòu)的基本原理后，又提出電荷耦合器件CCD的工作原理和怎樣提高CCD量子效率和讀出速率的問題。在課堂教學(xué)時，針對每章的關(guān)鍵性原理都提出一些與半導(dǎo)體工程實踐緊密結(jié)合的科學(xué)問題，采用在課堂上提出問題——學(xué)生課后查閱資料——課堂學(xué)生講解——分組討論——老師點評的模式，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生利用半導(dǎo)體基本原理解決半導(dǎo)體工藝和半導(dǎo)體器件中所遇到的實際的工程性問題。這種基于CIDO工程教育理念的教學(xué)模式研究既激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，又增強了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。
2.構(gòu)建合理的教學(xué)內(nèi)容
首先，把握好整體知識框架，做好先修和后續(xù)課程的知識銜接。例如，第1章講解半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)時簡單介紹固體物理有關(guān)晶胞結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合力、布里淵區(qū)與能帶理論等先修知識，以便學(xué)生更好地理解本章內(nèi)容。例如，第八章講授半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)內(nèi)容時，重點講解MOS器件表面在不同偏壓下表面狀態(tài)的變化，分析閾值電壓的構(gòu)成和影響因素，為后續(xù)半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)MOSFET器件的結(jié)構(gòu)和工作原理打下堅實的理論基礎(chǔ)。其次，不斷跟蹤國內(nèi)外有關(guān)半導(dǎo)體物理學(xué)科的研究前沿，將最新的成果和最新信息引入課堂教學(xué)，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容。例如，我們增加InGaAs、GaN等化合物半導(dǎo)體材料特性以及構(gòu)成異質(zhì)結(jié)在光電探測器和大功率高頻器件中應(yīng)用的介紹，增加MOS器件溝道尺寸對閾值電壓的影響等較新的內(nèi)容。更重要的是我們拋棄了復(fù)雜的理論推導(dǎo)，把每章的重點知識串接在一條主線上，突出重點概念和原理性知識，合理地構(gòu)建綜合性的教學(xué)內(nèi)容來充分訓(xùn)練學(xué)生的工程應(yīng)用能力，讓學(xué)生能站在較高的層次上全局把握每章的核心知識，盡早建立牢固的工程概念和工程意識，將所學(xué)的知識用于解決半導(dǎo)體材料、工藝和器件方面的實際問題。例如，教師在第一章內(nèi)容的講解時，以半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)為主線，將晶體結(jié)構(gòu)、電子運動狀態(tài)、能帶模型、空穴、有效質(zhì)量、回旋共振實驗等重要知識點串接在這條主線上。最后，重點分析硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等常用半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這些材料在能帶結(jié)構(gòu)上的不同，分析它們的優(yōu)缺點和不同的應(yīng)用范圍，進而引導(dǎo)學(xué)生建立通過優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)來獲得器件性能提升的思路，為學(xué)生今后從事半導(dǎo)體材料科學(xué)的研究建立早期的工程概念和工程意識。
3.融合多種媒體教學(xué)手段
半導(dǎo)體物理涉及的基本概念和原理較抽象，傳統(tǒng)的依靠單一PPT的多媒體教學(xué)過程使學(xué)生感覺學(xué)習(xí)枯燥，造成學(xué)習(xí)興趣不高。因此，教師在應(yīng)用傳統(tǒng)的教學(xué)手段基礎(chǔ)上引入多種媒體教學(xué)手段，將授課內(nèi)容通過多媒體形象化展現(xiàn)，使學(xué)生對半導(dǎo)體知識的理解從抽象思維轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗笏季S，在整體上把握好半導(dǎo)體主要基本理論和重要概念，從而加強學(xué)生對深奧和抽象的理論和概念的理解，提高學(xué)生對半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)的興趣。例如，在解釋空穴、能級分裂、本征激發(fā)、非平衡載流子產(chǎn)生與復(fù)合、金屬與半導(dǎo)體接觸等基本概念時均采用形象、直觀的動畫演示將物理機理地展現(xiàn)在學(xué)生面前，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)基本物理概念的本質(zhì)和規(guī)律，為學(xué)生分析問題創(chuàng)設(shè)情境。在講述半導(dǎo)體摻雜理論、復(fù)合理論、MIS結(jié)構(gòu)理論等重要的半導(dǎo)體原理時，采用TCAD仿真輔助教學(xué)的方法，將半導(dǎo)體材料中載流子濃度、各種復(fù)合電流、MIS結(jié)構(gòu)表面載流子濃度隨偏壓的變化通過仿真結(jié)果向?qū)W生直觀展示，促使學(xué)生認識物理機理本質(zhì)，提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。對于一些無法開展但非常重要的半導(dǎo)體物理實驗，我們通過制作動態(tài)影像向?qū)W生形象展示重要的物理過程。例如，對于著名的測量半導(dǎo)體載流子遷移率實驗，通過將實驗結(jié)果動態(tài)展示，可以幫助學(xué)生理解光生載流子在電場作用下同時進行擴散、復(fù)合和漂移運動的全過程，有助于學(xué)生掌握連續(xù)性方程求解非平衡載流子濃度的變化和對遷移率、擴散系數(shù)、產(chǎn)生/復(fù)合等重要物理概念的理解。
三、結(jié)論
我們開展面向工程教育的半導(dǎo)體物理教學(xué)改革，在教學(xué)中引入CDIO工程教育的思路，改變原有以理論授課為主的教學(xué)模式，通過創(chuàng)設(shè)綜合性的工程實踐問題，提高學(xué)生利用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)和解決相關(guān)工程問題的能力。同時構(gòu)建合理的教學(xué)內(nèi)容，通過形象化教學(xué)和融入多種媒體教學(xué)手段，增強學(xué)生對抽象理論和概念的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣。通過這次教學(xué)改革實踐，學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性得到很大的提高，學(xué)生能從整體上把握重要的半導(dǎo)體理論和概念，提高了綜合分析和解決半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件領(lǐng)域工程問題的能力。
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作者:徐躍 單位:南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院微電子學(xué)院
