半导体物理实验教学探索与实践

盛 威，许 英，吴伶锡

(湖南科技大学物理与电子科学学院，湖南湘潭411201)

0 引言

“半导体物理学”是电子信息类专业的专业基础课，它主要介绍半导体材料和器件中的载流子分布及运动规律，阐述半导体理论及实验方法。半导体物理作为微电子技术的理论基础，其教学效果直接影响着后续专业课程的学习[1，2]。然而，目前我国高校工科专业大多重技术轻理论，在课程设置和教学上注重学生工程实践能力的培养，轻视基础理论的学习。具体到电子信息类专业，往往重电路设计轻半导体物理及器件的学习。这就造成很多学生尽管会设计电路，却不了解电子元件和集成电路芯片的基本结构、制造工艺和工作原理。同时，由于半导体物理学理论性较强，知识点多，涉及范围广，对于没有固体物理、量子力学等基础知识背景的电子信息类本科生来说，在学习和理解上都存在一定的难度。在实际教学过程中笔者发现，由于“半导体物理学”的知识点大多较为抽象，在缺乏实践性环节的情况下，学生只能凭想象去理解而没有直观的感受，难以调动学习的积极性，教学效果也不理想。

1 虚拟半导体实验室的构想

要改进“半导体物理学”课程教学效果，就必须解决课程教学中理论联系实际环节薄弱及教学手段单一的问题[3]。为此，一些高校依托微电子技术实验室或半导体基础实验室为学生开设了半导体物理实验，对典型半导体材料及器件的物理及电学性质进行验证性实验，如四探针法测量半导体材料电导率、半导体霍尔效应的观测、载流子迁移率的测量及少子寿命测量等[4]。实验可以改善教学效果和质量，但实现这些实验所需的设备往往成本较高且操作复杂，国内许多高校暂不具备开设条件。要解决这一矛盾，需要一种成本较低、操作简单且可以达到较好实践教学效果的方式。为此，我们考虑用半导体材料和器件模拟平台搭建虚拟半导体实验室，以代替半导体基础实验室开展实践教学。这一模式在国外一些高校已有探索，国内也有高校尝试以软件辅助半导体实践教学[5，6]。

为搭建虚拟半导体实验室，我们需要一种可对半导体材料和器件的结构、能带特征、载流子迁移率及电导率等特性进行计算机模拟，并通过图形直观呈现实验结果的软件平台。目前具备这些功能的软件平台很多，丹麦QuantumWise公司开发的Atomistix ToolKit(ATK)是其中的佼佼者。ATK是一款能够模拟电子能带结构和电子输运性质的计算软件，可处理的体系包括有机和无机半导体材料及器件、分子、团簇以及二维半导体晶体等。有超过150个大学和电子公司的研究组使用ATK进行半导体新材料及新器件的研发。由于ATK的内置程序使用基于密度泛函理论的第一原理方法，模拟计算过程不依赖参数和物理模型，因此可处理的半导体材料及器件类型多样化[7]。ATK附带的图形操作界面Virtual NanoLab(VNL)操作简便，使得它不仅被广泛用于纳米材料与器件的科学研究，同时也是一款可用于相关课程教学的有力工具。

2 基于ATK平台的实践教学探索

2.1 实验项目的开发

为了将ATK平台的功能与半导体物理学实践教学对接，笔者对照其操作手册对各个功能模块逐一试用，结合课程内容，将可以利用ATK软件包直接或间接处理的物理量进行挖掘和整合，初步拟定了四个实验，分别是:①硅和锗的能带结构仿真计算;②基于硅的N(P)型半导体载流子迁移率仿真测量;③本征与杂质半导体电导率的仿真测量;④PN结的电输运性质模拟计算。为测试实际教学效果，笔者在自己正讲授“半导体物理学”课程的2011级电子信息科学与技术专业本科生中挑选了一部分学生，为他们开设了基于ATK软件平台的实验课。

2.2 实践教学过程

在讲解半导体中的电子状态时，硅和锗的能带结构是非常重要的内容，与之相关的知识几乎贯穿着所有后续章节。载流子分布、半导体导电性的分析都要以硅为例展开，后续课程中有关半导体器件的构造、工作原理和性能分析也大多要用到硅的电子结构。精确的理解能带理论和布里渊区的概念需要量子力学和固体物理的知识。由于电子类的学生没有学过这两门课程，对概念的理解存在一定的难度。为此笔者为本节课程加入了实践环节，让学生亲手搭建硅和锗的晶体结构，计算并绘制其能带结构图。

ATK平台的数据库自带硅、锗的晶格结构，学生可在VNL界面对其进行调取和观测。在对硅、锗晶体的结构参数、温度及布里渊区中高对称点进行定义之后，将模型导入ATK计算模块并运行就可以得到这两种半导体晶体的能带结构。在操作手册及教师的帮助下，所有学生都顺利地模拟出比教科书中更完整、更精确的如图1的所示的硅、锗能带图，从图中可以读取硅和锗的禁带宽度、间接带隙及导带和价带特征。部分学生通过改变硅的晶格常数及掺杂后计算得到的能带图，看到了能带与晶体结构及杂质的关系。通过和教材上给出的图形和数据进行对比，学生更直观、清晰地了解了这两种典型半导体材料的特性。同时，学生也可在定义参数的过程中加深了对硅的晶体结构、布里渊区等概念的理解，为后续章节理解载流子在能带中的分布、跃迁以及复合等更复杂的概念打好基础。

图1 用ATK计算得到的硅单晶能带结构图

2.3 实践教学效果分析

由于可以通过亲手操作改变半导体材料的结构，并在此过程中更直观的了解半导体材料的晶体结构和物理、电学特性，实践环节的加入使学生的学习积极性明显提高;少部分学生甚至开始思考调节能带结构以改变半导体材料电学性质的方法及理论依据。可见，通过虚拟实验室开展的实践教学环节明显改善了半导体物理学的教学效果，达到了我们的预期目的。

笔者按照同样的思路，在学习半导体的导电性一章时，在实验课中让学生用ATK平台搭建了以金属为电极的半导体器件模型并计算其电输运特性。模拟的结果以伏安曲线、透射谱的形式展示，让学生以更加直观的方式了解迁移率、电导率的概念。虚拟实验室在加深学生对半导体导电性的理解方面同样起到了很好的作用。

3 引入研究性实践

对于一部分基础较好又对微电子技术感兴趣的学生，我们可以在验证性实验的基础上引导他们进行研究性实践，将实践内容由验证性模拟测试拓展到简单的研究性开发。比如:在传统半导体材料中掺入不同浓度和不同种类的杂质，或者调整原有晶体的结构和引入缺陷等方式，让学生更深入地了解半导体材料和器件的研发和生产过程中涉及到的问题，激发学生的创新思维以及对科学研究的兴趣。由于ATK软件可在纳米尺度范围内进行模拟，我们还可以在实践教学中将一些新兴的半导体材料，如石墨烯、硅烯等二维半导体晶体等引入课堂，让学生对半导体及微电子行业最新的发展有所了解。

4 结语

本文介绍的虚拟半导体实验室初步解决了我院电子信息类专业半导体物理和半导体器件物理课程的实践性教学环节缺失问题。让学生在不依托半导体基础实验室的情况下也能直观的观测半导体材料和器件的结构特征及物理、电学特性，有效激发了学生的学习兴趣。

[1][美]施敏著，赵鹤鸣等译.半导体器件物理与工艺(第二版)[M].苏州:苏州大学出版社，2004.

[2]刘恩科，朱秉升，罗晋生等.半导体物理学(第七版)[M].北京:电子工业出版社，2011.

[3]王印月，赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].兰州:高等理科教育，2003，1:69-71.

[4]皮孝东，杨德仁.培养半导体材料创新人才:基于研究的教学[J].北京:中国科教创新导刊，2012，19:35-36.

[5]唐莹，孙一翎.MATLAB在半导体课程教学中的应用[J].长春:长春理工大学学报(高教版)，2009，4(10):123-124.

[6]唐莹，李万清.L-EDIT软件在“半导体器件”教学中的应用，南京:电气电子教学学报[J]，2010，32(6):108-109.

[7]J.M.Thijssen.Computational Physics[M].United Kingdom:Cambridge University Press，1999.