《半导体器件物理》课程改革探索与实践

徐振邦

（江苏信息职业技术学院 电子信息工程系，江苏 无锡 214153）

《半导体器件物理》课程改革探索与实践

徐振邦

（江苏信息职业技术学院 电子信息工程系，江苏 无锡 214153）

《半导体器件物理》是高职院校微电子专业的一门重要的专业基础课，是集成电路设计和制造的理论基础。笔者在教学实践中通过调整教学内容，推进理实一体化教学模式，改进教学方法，对该课程的教学进行了一些改革与探索，有益于提高本课程的教学质量。

半导体器件物理；教学改革；探索与实践

一、引言

随着全球信息化进程的加快，微电子产业得到了迅速的发展，作为向社会输送技能型人才的高职院校，培养微电子专业学生具备一定理论基础和较强的实践创新能力显得尤为重要。《半导体器件物理》是高职院校微电子专业的一门重要的专业基础课，主要讲授的是半导体特性、PN结原理以及双极型晶体管和MOS型晶体管的结构、工作原理、电学特性等内容，该课程教学的目的是让学生掌握微电子学专业所用的基本器件知识，为学习集成电路工艺和设计打下理论基础。

二、目前课程面临的问题

1.学生的知识基础的不足。要系统而深入地学习《半导体器件物理》课程，一般要求具备量子力学、固体物理及统计物理等前导课程的基础知识。高职院校的学生，虽然是高中起点，但其中有很多文科毕业生，物理、数学基础较差，缺乏现代物理学方面的基本概念和相关理论知识，面对《半导体器件物理》课程的学习，知识上难以顺利衔接。

2.缺乏适合高职学生的教材。高职院校的微电子专业通常起步较晚，目前适合高职教育的《半导体器件物理》教材很少，比较成熟的几乎全部都是本科教材，其基础知识起点较高、数学推导繁杂，内容覆盖太广，不能适应高职学生的需求[1]。

3.教学模式的限制。《半导体器件物理》这门课理论性很强，通常把它定位于纯理论课程，在教学模式上通常以板书为手段，以讲授为主。其实，这门课是一门理论性和实践性并重的专业基础课，要求学生在掌握知识的同时学会科学的思维方法、具备开放的研究能力。但是传统的教学模式对这些能力的培养是一个束缚。

4.教学资源的匮乏。在教学过程中为提高教学效率、增强学生兴趣，强调充分应用现代教育技术和手段。但本课程缺乏直观生动、富有动态变化，切实反映物理过程的辅助用PPT，另外，网络资源很少，学生无法通过现代信息技术手段来实现自主学习。

三、课程教学改革探索与实践

1.编写适合高职学生的教材。基于高职学生的特点和培养高技能应用型人才的目标，在教学内容的选择上应以必须、够用为度，突出基础性、实践性。例如在半导体材料特性这一部分，我们注意和高中物理的衔接，删去K空间、布里渊区等过于艰深内容，增加了原子物理的基本概念，顺利引出能带论。在讲双极和MOS器件时，我们将半导体器件版图的内容渗透到教学内容中，让学生形成基本概念，有利于和《半导体集成电路》、《集成电路版图设计》等课程的衔接；同时引入半导体器件工艺流程，为学习《半导体制造工艺》打下基础，课程的实践性也得以体现。另外，教学过程中的数学推导尽可能简洁或者略去，注重通过图例阐述物理过程，避免学生的畏难情绪。

图1 课程内容组织结构图

本课程的内容按照知识内在的逻辑关系，可以分为三个模块。集成电路的设计与制造是围绕着半导体材料特性展开的，是微电子专业课程的基础；PN结原理是双极型晶体管的基础、半导体表面特性是MOS型晶体管的基础；我们把这三块内容确定为基础模块。常规的半导体器件不是双极性型的就是MOS型的，集成电路的基本单元也就是这两种类型的晶体管，这是后续课程学习的关键，也是岗位职业能力的基础。我们把这两块内容定为核心模块。功率器件、太阳能电池、LED属于新兴的产品，对他们的结构原理的介绍也是有必要的，归为拓展模块。教学过程中要夯实基础（模块），突出核心（模块），介绍拓展（模块）。以期打好后续课程的基础，全面培养学生的职业能力。基于上述教学内容选择及组织形式，在多年教学实践的基础上，我们编写了一本文字浅显易懂、图例直观明了、论述明白流畅、数学表达简洁、理论联系实际、内容够用即可的校本教材。通过试用学生反映较好，为教学工作带来极大的便利。目前，教材《半导体器件物理》[2]已由机械工业出版社正式出版。

图2 实测PN结正向特性曲线

图3 理想PN正向特性曲线

2.推进理实一体化教学改革。以前，教师通常将这门课当成一门理论课来上，以教师讲课为主，实行的是填鸭式的灌输教育，大部分学生对这种教学模式不感兴趣。笔者以为，《半导体器件物理》这门课是理论性和实践性并重的一

门课程。在教学改革中我们将半导体实验嵌入其中，作为理实一体化项目。把原来的验证性实验改变为探究性实验，让学生通过实验现象自行分析研究，发现规律、得出的结论，从而提高学习积极性，增强感性认识，最终达到切实掌握知识的目标。

以PN结的正向特性——肖克莱方程为例，肖克莱方程的引入是个难点，完整的推导至少需要一个课时，作为高职院的学生来说，能听懂的是少数。现在我们讲完正向导通的物理过程之后，运用半导体管特性图示仪测量出PN的正向特性曲线（如图2），然后直接引入肖克莱方程：

我们根据实测曲线给出理想曲线（如图3）并进行对照，通过对比发现差异，然后介绍阈值电压及其产生机理。这样既避开了烦琐的数学推导，又使得阈值电压的概念能够牢固的掌握。

目前课程运用的理实一体化项目有14个，如表1所示，占约占总课时的30%。

表1 半导体器件物理理实一体化项目

3.采用多元化教学方法。为了帮助克服学生学习“半导体器件物理”课程理论性较强和抽象难懂的困难，我们在实际的教学过程中，多采用启发式和讨论式教学，将理论学习和实践练有机结合起来，增强学生创新思维和参与意识。在课堂教学中，采用启发式教学，注重师生互动，改变以往的灌输教育，使学生真正参与进来，加强他们学习的主动性，提高教学效率。采用讨论式教学可以使学生在学习中由被动变为主动。在课堂上教师提出一些问题，让学生自己查阅相关文献寻找解决的办法。然后就该问题组织学生展开讨论。例如MOS管栅电极两边出现电场峰值，会降低击穿电压，应当怎么改善?在讨论过程中教师总结和点评时，要指出为什么对，为什么错[3]。在教学过程中，课程组设计完成一套多媒体课件，注重反映重要的概念与公式以突出基本概念和基本计算，展示器件等图例，既方便说明问题，又可以减少板书时间，将更多的时间留给学生交流讨论。PPT中还表现了物理现象的变化过程，将抽象理论知识动起来，大大激发了学生的学习热情，加深了学生对理论知识的深刻理解。

图4 标准NMOS器件仿真结果图

4.将版图设计软件引入教学。Cadence virtuoso是一款功能强大的版图设计软件，运用cadence配套的specture仿真工具，也可以对半导体器件进行仿真分析，在这方面cadence软件也有不俗的表现。下面采用该软件对mos特性曲线在不同器件参数下进行量化分析。

图5 改变平面结构后的仿真结果图

图1 是标准NMOS器件的特性曲线仿真结果，宽长比为1μm∶1μm；改变其宽长比为1μm∶10μm，特性曲线仿真结果如图2。通过对比让学生理解半导体器件结构参数的改变将造成电学特性的变化，掌握如何合理选择参数的方法。在教学过程中利用版图设计软件来进行仿真，增强了学生的感性认识，有助于学生的对理论知识的理解。同时让学生初步接触专业软件，为后续的《集成电路版图设计技术》等课程打下基础。

5.建立课程网站。目前，课程已建立了网站，将课程信息、教学内容、多媒体课件、课外习题及答案等材料上网。课

程网站的设立共享了教学内容，指导学生学习方法，方便学生自主学习。

四、总结与展望

在《半导体器件物理》课程改革的探索实践过程中，我们使用课程组编写的适合高职学生的教材，推进理实一体化的教学模式，在教学过程中恰当的运用启发、讨论等教学方法、制作直观、动态的PPT辅助教学，收到了良好的教学效果，学生在学习过程中的畏难情绪明显减少，主动性得到了显著提升，和往届相比，学习成绩获得一定的提高，后续课程的老师反映学生对基本概念的掌握更为扎实，教学改革获得了初步成效。

目前已建立了《半导体器件物理》课程网站，但是缺乏互动。下一步的设想是：利用学校的Kingosoft高校网络教学平台，创建了《半导体器件物理》教学网站，开展网络化教学。要设立多媒体课件、课程录像、网络资源、交流论坛、课程信息、课外习题、习题解答等栏目，积极拓展学生的学习空间，加强学生之间、教生之间的交流，以期方便不同理论基础的学生进行学习，提高学生的自主学习能力，进一步调动了学习的主观能动性。

[1]陈国英《.半导体器件物理基础》课程教学的思考[J].常州：常州信息职业技术学院学报，2007，（6）.

[2]徐振邦.半导体器件物理[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]李琦，赵秋明，段吉海“.半导体器件物理”的教学探讨[J].南京：电子电气教学学报，2011，（2）.

G712

A

1674-9324（2014）04-0222-03

本文系中国电子教育学会2011年教学研究课题项目（Cese2011-10）。

徐振邦（1975-），男，江苏无锡人，副教授/高工，硕士，研究方向：控制理论与应用、集成电路制造工艺。