科研项目驱动式教学方法在《半导体器件基础》课程教学中的应用

崔昊杨（上海电力学院电子与信息工程学院，上海200000）



科研项目驱动式教学方法在《半导体器件基础》课程教学中的应用

崔昊杨
（上海电力学院电子与信息工程学院，上海200000）

摘要：半导体器件的发展日新月异，传统的弱电专业半导体器件课程教学存在知识系统更新慢、理论推导繁缛、教学方式僵化等问题，导致学生学习兴趣不高，对半导体器件前沿领域关注不够，制约了半导体器件课程的实际教学效果。针对这一问题，本文探讨了将科研思维贯穿在《半导体器件基础》课程中的教学方法，将最新的科研动态和学科科研思维融合到课程的教学中，引导学生自主学习，并实现教师教、学相长的目的。该教学方法的实践表明，学生的学习兴趣、学习意识、学习主动性提高，教学效果得到明显提升。

关键词：科研思维；半导体器件；教学方法

Abstract:The development of semiconductor devices is changing with each passing day. The traditional teaching method of semiconductor device courses has the problems of slow updated knowledge system, complicated theory and rigid teaching method, which dampens students' interest in the front area of semiconductor devices, and thus influences the actual teaching effect of the course of semiconductor devices. To solve this problem, this paper discussed the application of scientific research thinking teaching method in "semiconductor device" course. The integration of the latest research developments and scientific thinking into the teaching course helps to guide students to self-study and to realize the purpose of teachers' teaching and learning. The practice of this teaching method shows that improvement of students' learning interest, learning consciousness and learning initiative has a positive and obvious impact on the teaching effect.

Keywords:scientific research thinking; semiconductor devices; teaching method

引言

2015年3月我国政府发布了“中国制造2025”[1]，半导体领域成为重中之重。中国每年的半导体组件进口金额已经超过原油，工业产品核心的半导体自给率仅为20%左右。一边是国内半导体行业的迅猛发展，一边是国内半导体行业人才的匮乏，特别是中高级科研人员尤其短缺。科学技术是第一生产力，人才是第一资源，培养半导体器件领域的中高级人才已成为现代大学电子科学与技术专业面临的紧迫任务。然而，传统的半导体器件课程教学中普遍存在知识系统陈旧、理论推导繁缛、理论与实践关联程度弱等问题，这在很大程度上影响了半导体器件课程的实际教学效果，学生的学习兴趣不高，学习效果不理想。半导体器件是一门发展极为迅速的学科，新理论、新材料、新技术的更新速度快，半导体器件和半导体芯片的种类、质量与性能的发展更是日新月异。但目前的课程教学内容与半导体器件领域的科学技术发展水平不匹配，学生很难把握半导体器件领域的发展动态和前沿方向。传统的教学方法、教学模式和教学理念虽在过去的几年间取得当初设定的目标，但已不适应当今国内对半导体器件领域人才培养的要求。

随着大批高层次人才的引入，国内半导体器件领域的科学研究水平日益提高，涌现出了大量的科技成果，相关领域的研究水平与国外差距日趋减小，部分科研成果甚至领先于世界水平。如何将较新的半导体器件研究理论、技术方法以及科研人员科技成果引入到半导体器件物理日常教学中，与半导体器件教学内容有机融合，成为本领域人才培养的难点。积极主动的科研思维引入到日常教学，不仅能够提高学生学习的主动性，提高学生了解半导体器件领域内发展水平的机会，为后继课程奠定基础[2]，更能够锻炼教师的科学研究理性思维，达到教学相长的目的。在这样的背景下，本文探索和实践了融合科学研究思维的半导体器件基础课程的教学方法，通过连续几年的半导体器件基础课程教学过程跟踪和效果分析，表明该方法能够有效提高学生的学习兴趣、学习意识和学习主动性，教学效果得到明显提升。

一、教学内容选择

针对我校电子科学与技术专业的特点，我们选择了苏州大学出版社出版的《半导体器件物理与工艺》教材，该书作者是本领域的知名专家施敏教授。教材的难度和教学内容均符合电子科学与技术专业的教学大纲要求，教学内容涵盖pn结、双极型晶体管、MOS场效应晶体管和MES场效应晶体管等四个部分的内容。考虑到近几年半导体器件的科技发展水平，教研组对课程内容进行了适当的调整。在《半导体器件基础》课程前期，本专业已经开设了《半导体物理》课程，具体学习了半导体晶体结构、导电性和非平衡载流子等概念，学生在半导体领域已经具备了一定的学习基础。尽管如此，为与半导体物理课程形成良好的衔接，本课程的教学中首先还是利用了2个课时总体回顾了半导体物理的基础知识，特别是与半导体器件相关的半导体掺杂、能带、非平衡载流子等知识点。在此基础上，利用1个课时的时间介绍了基本的半导体器件的种类及其工作原理与半导体物理理论的关系。通过与前期课程的有效衔接，为学生梳理了半导体物理、半导体器件基础的知识体系结构间的关联性。

在《半导体器件基础》教学内容方面，在把握课程知识体系结构基础上，补充了常见器件的发展水平和新理论和新技术方面的综述。在pn结器件章节，在重点讲解pn结的工作原理的基础上，适当扩充LED器件、光伏型太阳能电池和光电检测探测器的基本知识和当今发展水平介绍，新增教学内容使该章节的理论课时增加了3个课时。对于pn结器件的制备工艺和流程，考虑到后继的集成电路工艺原理课程会重点介绍，因此，在本课程中只进行粗略介绍，节省1课时的教学工作量；在MOSFET章节中，结合前期讲解的双极型晶体管知识，介绍了当今电力电子领域的热点研究器件——绝缘栅双极型晶体管（IGBT）及IGBT模块的基本原理、应用领域及发展水平；在MSFET章节中，重点讲解金属/半导体接触二极管，通过肖特基接触的电学特性仿真，以及肖特基接触与pn结共存器件的光电特性仿真，以此说明金属/半导体接触对半导体器件性能的影响作用。

二、教学方法实践

半导体器件是集成电路设计过程中的核心部件，对半导体器件的工作原理、性能、参数的深入理解有助于提升学生对于半导体器件的实际应用能力，以科学研究任务带动学生自主学习能够有效提升学生创新积极性。为此，在《半导体器件基础》课程的日常教学中，提出了融合科研思维的教学方法[3]。其核心思想是在教学过程中，增加了课堂互动、学生课后文献综述、模型创建、理论仿真、论文撰写等环节，深入了解器件的原理以及半导体器件领域的科学研究方法。该方法的具体实施方式是：通过教师在个别章节讲解过程中，引出自身在开展相关器件科研中遇到的问题，开展课堂和课后讨论，将学生分组后让学生团队课后调研相关问题的国内外进展综述，利用已学的半导体器件基础知识建立理论模型，开展理论仿真和计算，解决这些问题，并以科技论文的方式递交报告，教师通过学生团队提交的论文情况与学生再进行更深层次的讨论，分析模型和仿真计算中出现的问题或可取之处，通过上述环节达到教、学相长的目的。

例如，在金属/半导体接触器件章节，我们首先在课堂上介绍了金属/半导体接触可能形成的两种接触类型，即欧姆接触和肖特基势垒。强调了金属/半导体接触在半导体器件制备过程中的广泛性和肖特基势垒的整流特性，推导了肖特基势垒的电流——电压特性公式。在此基础上，抛出了教师科研中遇到的肖特基势垒对pn结二极管性能的影响的问题。将学生分成4人一组的研究团队，要求他们在1个星期内完成相关方面的科研课题，启发他们从肖特基势垒对pn结光电探测器的电学特性、光电特性两个方面的影响开展研究，对于电学特性影响研究引导学生pn结与肖特基势垒共存器件等效电路模型的构建，由于肖特基势垒的整流特性，将在一定程度影响pn结的电流电压特性，在此基础上开展了电学I-V特性的仿真分析；在影响光电特性方面，将器件在瞬态光照条件出现的异常光伏特性实验数据分发给学生，并引导学生关注光伏信号呈现的光伏谷、光伏峰共存的异常现象，让学生从pn结光伏和肖特基势垒光伏组合的模型对上述异常现象作出解释，并进行理论仿真验证，阐明肖特基势垒光伏对pn结光伏的抑制效应。上述任务分发后，学生开始有目的的利用各种网络、图书馆、科技文献资源查找资料、收集资料，同组学生进行了深入讨论，团队成员在一个星期时间内分工明确，互相配合，开展相关理论及仿真的研究，并按照科技论文规范共同撰写科技论文。在科技论文提交后，教师对论文进行了点评，学生在同教师的点评和互动过程中，对原有知识点的理解更为深入，并能够初步解决实际的问题，同时，通过科研训练能够激发学生的创造精神，通过对科研活动的亲身体验，使学生感受到所学知识的重要性，增强了他们学习的信心。

三、教学效果分析

科研项目驱动式教学方法从2011级电子科学与技术专业的半导体器件基础课程学习开始执行，通过几年的实施和教性和能动性得到了很大的提高，在相同的考试难度下，学生的期末成绩优良比例逐年呈增长趋势，2011级至2013级学生的优良比例从20%增长到47%，不及格率从25%大幅下降到4.9%。上述指标说明该方法对于提升学生的学习效果起到了较好的作用。此外，从采用该教学方法高年级学生的课程反馈效果也表明，《半导体器件基础》课程的学习主动性和学习兴趣得以提高，对器件工作原理的理解更为深入，为后续的专业课程学习奠定了很好的基础。特别是通过该教学方法的训练，学生初步了解了科学研究的思路，破除了科研活动的神秘感，增加了学生开展科学研究的兴趣和信心。

四、结束语

半导体器件的科学、技术和产业飞速发展对半导体领域的高端人才需求日趋强烈。《半导体器件》课程的传统教学方法已难以适应现实的需求，对普通高等学校开设的《半导体器件》课程的教学进行改革势在必行。本文对科研项目驱动的教学方法进行了讨论，阐述了科研项目驱动法的核心思维、实施方法、效果分析。将部分科研项目问题分解到课程的实际教学过程中，鼓励学生自主开展科学研究，并对学生提交的科技论文进行点评，达到教学相长的目的。实践表明该教学方法可激发学生的学习主动性，增强学生的创新意识。学生的考试成绩的跟踪分析和高年级学生反馈效果分析，也表明该方法收到了良好的教学效果。后期，我们将继续对该教学方法进行优化，进一步体现科研项目任务驱动的特色，进一步提高课程学习效果，为学生学习后续专业课程或今后从事电子和材料相关工作奠定良好的基础。

参考文献

[1]周海银.高等教育如何适应“中国制造2025”[J].山东师范大学学报，2015，60（4）：119-124.

[2]张永华，杨平雄，高婉丽.“半导体器件原理”课程建设的研究[J].电气电子教学学报，2009，31（4）：26-27.

[3]徐跃.融入研究性学习思想的半导体物理教学改革与实践[J].科技创新导报，2014，35：141-142.

作者简介：崔昊杨（1978-），男，吉林四平人，博士，教授，硕士生导师，上海电力学院电子与信息工程学院副院长，主讲半导体物理，半导体器件基础等课程，目前的主要研究方向为半导体器件的光电特性。

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）06-0093-02