《半導體器件物理》課程改革探索與實踐

徐振邦

（江蘇信息職業技術學院 電子信息工程系，江蘇 無錫 214153）

《半導體器件物理》課程改革探索與實踐

徐振邦

（江蘇信息職業技術學院 電子信息工程系，江蘇 無錫 214153）

《半導體器件物理》是高職院校微電子專業的一門重要的專業基礎課，是集成電路設計和制造的理論基礎。筆者在教學實踐中通過調整教學內容，推進理實一體化教學模式，改進教學方法，對該課程的教學進行了一些改革與探索，有益于提高本課程的教學質量。

半導體器件物理；教學改革；探索與實踐

一、引言

隨著全球信息化進程的加快，微電子產業得到了迅速的發展，作為向社會輸送技能型人才的高職院校，培養微電子專業學生具備一定理論基礎和較強的實踐創新能力顯得尤為重要?！栋雽w器件物理》是高職院校微電子專業的一門重要的專業基礎課，主要講授的是半導體特性、PN結原理以及雙極型晶體管和MOS型晶體管的結構、工作原理、電學特性等內容，該課程教學的目的是讓學生掌握微電子學專業所用的基本器件知識，為學習集成電路工藝和設計打下理論基礎。

二、目前課程面臨的問題

1.學生的知識基礎的不足。要系統而深入地學習《半導體器件物理》課程，一般要求具備量子力學、固體物理及統計物理等前導課程的基礎知識。高職院校的學生，雖然是高中起點，但其中有很多文科畢業生，物理、數學基礎較差，缺乏現代物理學方面的基本概念和相關理論知識，面對《半導體器件物理》課程的學習，知識上難以順利銜接。

2.缺乏適合高職學生的教材。高職院校的微電子專業通常起步較晚，目前適合高職教育的《半導體器件物理》教材很少，比較成熟的幾乎全部都是本科教材，其基礎知識起點較高、數學推導繁雜，內容覆蓋太廣，不能適應高職學生的需求[1]。

3.教學模式的限制?！栋雽w器件物理》這門課理論性很強，通常把它定位于純理論課程，在教學模式上通常以板書為手段，以講授為主。其實，這門課是一門理論性和實踐性并重的專業基礎課，要求學生在掌握知識的同時學會科學的思維方法、具備開放的研究能力。但是傳統的教學模式對這些能力的培養是一個束縛。

4.教學資源的匱乏。在教學過程中為提高教學效率、增強學生興趣，強調充分應用現代教育技術和手段。但本課程缺乏直觀生動、富有動態變化，切實反映物理過程的輔助用PPT，另外，網絡資源很少，學生無法通過現代信息技術手段來實現自主學習。

三、課程教學改革探索與實踐

1.編寫適合高職學生的教材?；诟呗殞W生的特點和培養高技能應用型人才的目標，在教學內容的選擇上應以必須、夠用為度，突出基礎性、實踐性。例如在半導體材料特性這一部分，我們注意和高中物理的銜接，刪去K空間、布里淵區等過于艱深內容，增加了原子物理的基本概念，順利引出能帶論。在講雙極和MOS器件時，我們將半導體器件版圖的內容滲透到教學內容中，讓學生形成基本概念，有利于和《半導體集成電路》、《集成電路版圖設計》等課程的銜接；同時引入半導體器件工藝流程，為學習《半導體制造工藝》打下基礎，課程的實踐性也得以體現。另外，教學過程中的數學推導盡可能簡潔或者略去，注重通過圖例闡述物理過程，避免學生的畏難情緒。

圖1 課程內容組織結構圖

本課程的內容按照知識內在的邏輯關系，可以分為三個模塊。集成電路的設計與制造是圍繞著半導體材料特性展開的，是微電子專業課程的基礎；PN結原理是雙極型晶體管的基礎、半導體表面特性是MOS型晶體管的基礎；我們把這三塊內容確定為基礎模塊。常規的半導體器件不是雙極性型的就是MOS型的，集成電路的基本單元也就是這兩種類型的晶體管，這是后續課程學習的關鍵，也是崗位職業能力的基礎。我們把這兩塊內容定為核心模塊。功率器件、太陽能電池、LED屬于新興的產品，對他們的結構原理的介紹也是有必要的，歸為拓展模塊。教學過程中要夯實基礎（模塊），突出核心（模塊），介紹拓展（模塊）。以期打好后續課程的基礎，全面培養學生的職業能力?；谏鲜鼋虒W內容選擇及組織形式，在多年教學實踐的基礎上，我們編寫了一本文字淺顯易懂、圖例直觀明了、論述明白流暢、數學表達簡潔、理論聯系實際、內容夠用即可的校本教材。通過試用學生反映較好，為教學工作帶來極大的便利。目前，教材《半導體器件物理》[2]已由機械工業出版社正式出版。

圖2 實測PN結正向特性曲線

圖3 理想PN正向特性曲線

2.推進理實一體化教學改革。以前，教師通常將這門課當成一門理論課來上，以教師講課為主，實行的是填鴨式的灌輸教育，大部分學生對這種教學模式不感興趣。筆者以為，《半導體器件物理》這門課是理論性和實踐性并重的一

門課程。在教學改革中我們將半導體實驗嵌入其中，作為理實一體化項目。把原來的驗證性實驗改變為探究性實驗，讓學生通過實驗現象自行分析研究，發現規律、得出的結論，從而提高學習積極性，增強感性認識，最終達到切實掌握知識的目標。

以PN結的正向特性——肖克萊方程為例，肖克萊方程的引入是個難點，完整的推導至少需要一個課時，作為高職院的學生來說，能聽懂的是少數?，F在我們講完正向導通的物理過程之后，運用半導體管特性圖示儀測量出PN的正向特性曲線（如圖2），然后直接引入肖克萊方程：

我們根據實測曲線給出理想曲線（如圖3）并進行對照，通過對比發現差異，然后介紹閾值電壓及其產生機理。這樣既避開了煩瑣的數學推導，又使得閾值電壓的概念能夠牢固的掌握。

目前課程運用的理實一體化項目有14個，如表1所示，占約占總課時的30%。

表1 半導體器件物理理實一體化項目

3.采用多元化教學方法。為了幫助克服學生學習“半導體器件物理”課程理論性較強和抽象難懂的困難，我們在實際的教學過程中，多采用啟發式和討論式教學，將理論學習和實踐練有機結合起來，增強學生創新思維和參與意識。在課堂教學中，采用啟發式教學，注重師生互動，改變以往的灌輸教育，使學生真正參與進來，加強他們學習的主動性，提高教學效率。采用討論式教學可以使學生在學習中由被動變為主動。在課堂上教師提出一些問題，讓學生自己查閱相關文獻尋找解決的辦法。然后就該問題組織學生展開討論。例如MOS管柵電極兩邊出現電場峰值，會降低擊穿電壓，應當怎么改善?在討論過程中教師總結和點評時，要指出為什么對，為什么錯[3]。在教學過程中，課程組設計完成一套多媒體課件，注重反映重要的概念與公式以突出基本概念和基本計算，展示器件等圖例，既方便說明問題，又可以減少板書時間，將更多的時間留給學生交流討論。PPT中還表現了物理現象的變化過程，將抽象理論知識動起來，大大激發了學生的學習熱情，加深了學生對理論知識的深刻理解。

圖4 標準NMOS器件仿真結果圖

4.將版圖設計軟件引入教學。Cadence virtuoso是一款功能強大的版圖設計軟件，運用cadence配套的specture仿真工具，也可以對半導體器件進行仿真分析，在這方面cadence軟件也有不俗的表現。下面采用該軟件對mos特性曲線在不同器件參數下進行量化分析。

圖5 改變平面結構后的仿真結果圖

圖1 是標準NMOS器件的特性曲線仿真結果，寬長比為1μm∶1μm；改變其寬長比為1μm∶10μm，特性曲線仿真結果如圖2。通過對比讓學生理解半導體器件結構參數的改變將造成電學特性的變化，掌握如何合理選擇參數的方法。在教學過程中利用版圖設計軟件來進行仿真，增強了學生的感性認識，有助于學生的對理論知識的理解。同時讓學生初步接觸專業軟件，為后續的《集成電路版圖設計技術》等課程打下基礎。

5.建立課程網站。目前，課程已建立了網站，將課程信息、教學內容、多媒體課件、課外習題及答案等材料上網。課

程網站的設立共享了教學內容，指導學生學習方法，方便學生自主學習。

四、總結與展望

在《半導體器件物理》課程改革的探索實踐過程中，我們使用課程組編寫的適合高職學生的教材，推進理實一體化的教學模式，在教學過程中恰當的運用啟發、討論等教學方法、制作直觀、動態的PPT輔助教學，收到了良好的教學效果，學生在學習過程中的畏難情緒明顯減少，主動性得到了顯著提升，和往屆相比，學習成績獲得一定的提高，后續課程的老師反映學生對基本概念的掌握更為扎實，教學改革獲得了初步成效。

目前已建立了《半導體器件物理》課程網站，但是缺乏互動。下一步的設想是：利用學校的Kingosoft高校網絡教學平臺，創建了《半導體器件物理》教學網站，開展網絡化教學。要設立多媒體課件、課程錄像、網絡資源、交流論壇、課程信息、課外習題、習題解答等欄目，積極拓展學生的學習空間，加強學生之間、教生之間的交流，以期方便不同理論基礎的學生進行學習，提高學生的自主學習能力，進一步調動了學習的主觀能動性。

[1]陳國英《.半導體器件物理基礎》課程教學的思考[J].常州：常州信息職業技術學院學報，2007，（6）.

[2]徐振邦.半導體器件物理[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]李琦，趙秋明，段吉?！?半導體器件物理”的教學探討[J].南京：電子電氣教學學報，2011，（2）.

G712

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1674-9324（2014）04-0222-03

本文系中國電子教育學會2011年教學研究課題項目（Cese2011-10）。

徐振邦（1975-），男，江蘇無錫人，副教授/高工，碩士，研究方向：控制理論與應用、集成電路制造工藝。