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半导体物理教学改革与实践

摘要:“半导体物理”是微电子科学与工程等工学专业最重要的一门专业基础课程。为了适应工程教育专业认证对人才培养的要求,笔者以CDIO工程教育理念为指导,通过改革授课方式、授课内容以及借助于多种媒体教学手段进行理论、实践和创新为一体的半导体物理教学改革和实践,不但提高了学生主动学习的积极性,而且增强了学生综合利用所学知识解决工程实践问题的能力。

关键词:半导体物理;工程教育;教学改革;工程实践

工程教育专业认证是工程教育质量的重要保障,有利于促进工程教育改革,提高工程教育质量,增强工程教育人才适应社会的能力。半导体物理作为半导体科学的理论基础,是微电子科学与工程、集成电路设计与集成系统等工程教育专业所必修的专业基础课程,对学生深入学习专业知识,增强解决实际工程问题的能力具有重要的作用。然而现有半导体物理的教学方式仍以注重理论知识传授为主,忽略了学生工程实践能力和创新能力的培养,不能满足国家工程教育专业认证的要求。为了解决这种以理论教学为主而忽略工程实践的关键性问题,学校以CDIO即构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)的工程教育理念为指导,将理论、实践、创新融为一体,构建符合现代工程教育的半导体物理教学,通过融入工程教育思路的半导体物理教学改革,全面提升学生创新意识和解决工程实践问题的能力。

一、半导体物理教学现状分析

1.课程注重理论知识讲授,学生解决复杂工程问题的能力不足

目前半导体物理课程的教学过程以理论讲授为主,主要讲解基本物理概念和理论,缺乏与实践结合的综合性案例分析来指导学生进行工程实践。虽然笔者所在学校已在整个半导体物理的教学过程引入了研究性学习的思想,将科研中涉及半导体物理的主要知识点融入教学中,但学生应用所学的理论知识解决半导体材料、工艺和器件中问题的能力还不够。学生还需在老师的指导下进一步进行实践和创新能力的训练,提高工程设计意识和综合工程设计的能力。

2.课程知识点繁多,学生主动学习的积极性不高

半导体物理教学涉及的知识面广,基本概念多,理论繁琐,内容深奥复杂。同时学生对先修相关知识点的掌握不是很透彻,导致知识点前后难以衔接,学起来会感到头绪繁多,难以理解。此外,半导体技术发展非常迅速,新的理论和研究成果不断呈现,知识更新快、学科交叉更深入,因此教师很难在有限的授课时间里覆盖所有内容。而此时学生的主动学习和探究问题的能力就变得更加重要,但是由于该课程概念多、理论深、公式复杂,学生主动学习的积极性不高。

3.配套教学资源不足,学生对抽象知识的理解不深刻

半导体物理涉及的物理概念多,理论复杂,由于实验条件和学时的限制,学生不能通过实验来验证物理过程,学生对物理的概念和理论通过抽象的记忆性理解,因此这种理解不深刻。虽然有些高校采用一些仿真课程辅助半导体物理的教学,PPT中也增加了一些动画帮助学生理解物理过程,但这些辅助的效果不十分理想。所以,教师在教学中增加与实践问题相关的教学案例,完善多媒体教学课件内容是非常必要的。

二、教学方法的改革和实践

1.采用CIDO工程教育理念的教学模式

传统的教学方法采用课堂讲解、习题练习、课后答疑等集中式教学方式,注重的是理论的思考过程,没有将解决工程实践问题作为授课的导向。工程教育专业认证强调的是以学生为中心的教育理念,以成果作为教育的取向。我们以CIDO工程教育理念为教学思路,改变原有以教师为主的教学组织形式,采用以学生为教学主体,老师为辅的教学模式。在教学过程中加强学生的形象思维的训练,在课堂上通过创设工程问题情景,展现问题形成过程,激发学生主动学习和实践创新的积极性,探索出培养工程应用型人才有效的教学方法和教学手段。例如,在学习了第二章杂质的补偿作用后,提出怎样利用杂质的补偿原理来制备各种不同特性的N型和P型材料,怎样制备出形形色色的半导体器件的问题;在学习了第三章杂质半导体载流子浓度随温度和杂质浓度的分布后,提出怎样测试杂质的电离能和半导体材料的禁带宽度的问题;在学习了第五章复合理论和陷阱效应后,提出光电探测器暗电流的主要产生机理是什么,采取怎样的措施能减小暗电流的问题;在学习了第八章MIS结构的基本原理后,又提出电荷耦合器件CCD的工作原理和怎样提高CCD量子效率和读出速率的问题。在课堂教学时,针对每章的关键性原理都提出一些与半导体工程实践紧密结合的科学问题,采用在课堂上提出问题——学生课后查阅资料——课堂学生讲解——分组讨论——老师点评的模式,侧重培养学生利用半导体基本原理解决半导体工艺和半导体器件中所遇到的实际的工程性问题。这种基于CIDO工程教育理念的教学模式研究既激发了学生主动学习的积极性,又增强了学生的实践创新能力。

2.构建合理的教学内容

首先,把握好整体知识框架,做好先修和后续课程的知识衔接。例如,第1章讲解半导体的晶体结构时简单介绍固体物理有关晶胞结构、晶体结合力、布里渊区与能带理论等先修知识,以便学生更好地理解本章内容。例如,第八章讲授半导体表面与MIS结构内容时,重点讲解MOS器件表面在不同偏压下表面状态的变化,分析阈值电压的构成和影响因素,为后续半导体器件物理学习MOSFET器件的结构和工作原理打下坚实的理论基础。其次,不断跟踪国内外有关半导体物理学科的研究前沿,将最新的成果和最新信息引入课堂教学,不断丰富教学内容。例如,我们增加InGaAs、GaN等化合物半导体材料特性以及构成异质结在光电探测器和大功率高频器件中应用的介绍,增加MOS器件沟道尺寸对阈值电压的影响等较新的内容。更重要的是我们抛弃了复杂的理论推导,把每章的重点知识串接在一条主线上,突出重点概念和原理性知识,合理地构建综合性的教学内容来充分训练学生的工程应用能力,让学生能站在较高的层次上全局把握每章的核心知识,尽早建立牢固的工程概念和工程意识,将所学的知识用于解决半导体材料、工艺和器件方面的实际问题。例如,教师在第一章内容的讲解时,以半导体材料的能带结构为主线,将晶体结构、电子运动状态、能带模型、空穴、有效质量、回旋共振实验等重要知识点串接在这条主线上。最后,重点分析硅、锗、砷化镓、磷化铟等常用半导体材料的能带结构,引导学生根据这些材料在能带结构上的不同,分析它们的优缺点和不同的应用范围,进而引导学生建立通过优化能带结构来获得器件性能提升的思路,为学生今后从事半导体材料科学的研究建立早期的工程概念和工程意识。

3.融合多种媒体教学手段

半导体物理涉及的基本概念和原理较抽象,传统的依靠单一PPT的多媒体教学过程使学生感觉学习枯燥,造成学习兴趣不高。因此,教师在应用传统的教学手段基础上引入多种媒体教学手段,将授课内容通过多媒体形象化展现,使学生对半导体知识的理解从抽象思维转变为形象思维,在整体上把握好半导体主要基本理论和重要概念,从而加强学生对深奥和抽象的理论和概念的理解,提高学生对半导体物理学习的兴趣。例如,在解释空穴、能级分裂、本征激发、非平衡载流子产生与复合、金属与半导体接触等基本概念时均采用形象、直观的动画演示将物理机理地展现在学生面前,便于学生发现基本物理概念的本质和规律,为学生分析问题创设情境。在讲述半导体掺杂理论、复合理论、MIS结构理论等重要的半导体原理时,采用TCAD仿真辅助教学的方法,将半导体材料中载流子浓度、各种复合电流、MIS结构表面载流子浓度随偏压的变化通过仿真结果向学生直观展示,促使学生认识物理机理本质,提高学生应用所学知识发现问题和解决问题的能力。对于一些无法开展但非常重要的半导体物理实验,我们通过制作动态影像向学生形象展示重要的物理过程。例如,对于著名的测量半导体载流子迁移率实验,通过将实验结果动态展示,可以帮助学生理解光生载流子在电场作用下同时进行扩散、复合和漂移运动的全过程,有助于学生掌握连续性方程求解非平衡载流子浓度的变化和对迁移率、扩散系数、产生/复合等重要物理概念的理解。

三、结论

我们开展面向工程教育的半导体物理教学改革,在教学中引入CDIO工程教育的思路,改变原有以理论授课为主的教学模式,通过创设综合性的工程实践问题,提高学生利用所学知识发现和解决相关工程问题的能力。同时构建合理的教学内容,通过形象化教学和融入多种媒体教学手段,增强学生对抽象理论和概念的理解,激发学生学习的热情和兴趣。通过这次教学改革实践,学生主动学习的积极性得到很大的提高,学生能从整体上把握重要的半导体理论和概念,提高了综合分析和解决半导体材料、半导体器件领域工程问题的能力。

参考文献:

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[2]徐大庆,童军,张岩.基于创新型人才培养的“半导体物理”教学改革探索[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2017

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[6]刘城芳.融合多种教学方法于半导体物理教改中的初步探索[J].广东化工,2016

作者:徐跃 单位:南京邮电大学电子与光学工程学院微电子学院

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