半导体器件仿真大型实验教学改革

李如春， 朱 华

(浙江工业大学 信息工程学院，杭州 310014)

0 引 言

高等教育的主要任务是为知识、技术创新提供智力支持和人力资源保障。作为高等教育主体的本科教育，肩负着为社会培养高素质专业人才的重任。实验教学是本科教育的重要组成部分，是学生掌握理论知识、联系实际应用的重要手段。在实验教学中，学生需完成操作机器、调试仪表、观察现象、处理数据、撰写报告等一系列教学任务，这些过程能有效训练学生的实际操作技能，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的创新精神[1-2]。

1 新工科背景下的实验教学改革

2017年2月，教育部推出“新工科”计划，启动“新工科研究与实践”项目[3-4]，指出新工科研究和实践要围绕工程教育改革的5个“新”，即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系。“新工科”计划的顺利推进，有赖于实施者对“新”的正确认识。李培根[5]，论述了对“新工科”之“新”的理解，提出“新”的内涵首先表现在面向未来的工程人才应该具备 “新素养”，“新素养”涵盖使命感和价值感、空间感、关联力、想象力、宏思维、批判性思维等；同时指出“新工科”要落地在教材和教学方法的“新”上。

工程教育与产业发展是紧密联系、相互支撑的，新经济的发展对传统工程专业人才培养提出了挑战，发展“新工科”是支撑新经济发展的人才需要。“新工科”计划的5“新”，其目的是让学生在更广泛的专业交叉和融合中学习，培养学生快速学习新事物的能力，使其具备全球视野、领导能力、整合能力、实践能力，成为具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。在上述能力培养中，实践能力是至关重要的，是工程教育与行业企业紧密联系的纽带，而实验教学作为实践能力培养的基础，需要为卓越工程师教育培养计划、CDIO(Conceive, Design, Implement, Operate)[6-7]等工程教育人才培养模式的进一步深化打下坚实的基础。因此，在新工科背景下，需进一步整合实验课堂的教学内容和教学模式，主要注重以下几方面的创新改革：

(1) 构建具有特色的创新型实验教学体系，优化实验教学内容，紧跟产业发展，增加综合性、设计性、应用型实验项目，加深学生对专业领域相关理论知识的理解，培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力。

(2) 开放式组织实验教学，鼓励学生课外查找资料，寻求解决问题的方案，将课堂内外有机结合，形成多课堂协同完成教学任务的实验教学方法，培养与提高学生的科学实验素质和创新能力。

(3) 建立积极有效的实验考核体系，注重激发学生实验兴趣，提倡科学严谨，将动手能力、综合分析能力及创新能力作为主要考核内容。

由于半导体器件和集成电路的实际生产设备昂贵，对场地、空气净化的等级要求高，使用维护成本也很高，无法从教学需求层面进行建设，因此，绝大多数学校都是通过虚拟仿真实验深化学生对半导体材料、集成电路工艺、器件原理和电路系统的认知，同时完成一些真实实验无法或难以开展的实验环节，揭示集成电路特征与内在规律，虚实结合、互补共促，半导体器件仿真大型实验正是基于此需求开设的一门大型实验，适用于电子科学与技术专业。通过实验训练，使学生初步熟悉主要的微电子工艺技术，提升学生集成电路制造的工程实践素质，为学生的毕业设计和今后从事的相关半导体器件设计制作打下重要基础。

2 半导体器件仿真大型实验教学改革举措

2.1 实验内容的整合设计

半导体器件仿真大型实验旨在学习运用大型数值模拟软件仿真半导体器件和集成电路的实际制造流程，以往在实验内容的选取上注重软件的操作使用，综合性的实验内容虽然涵盖了多种器件类型，考虑了主要物理模型对器件特性影响的分析，但设计、研究性的内容偏少，这在“新工科”背景下，对学生自主思考、积极探究的能力培养极为不利。为此，提出对实验内容进行整合改进，增加具有一定设计、研究要求的应用型实验，促进实验项目与科研、工程和社会应用实践有机结合。

根据培养计划设定的40学时实验教学要求，将实验内容分成3大部分，并合理分配学时，具体见图1。

图1 半导体器件仿真大型实验内容整合示意图

(1) 软件使用。大型实验采用Silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真软件作为操作平台。Silvaco TCAD包括Athena和Atlas两大模块，其中Athena模块用于半导体工艺模拟仿真，Atlas模块用于半导体器件特性模拟仿真。

软件使用操作学习共安排8学时，2学时教师通过授课方式介绍Silvaco TCAD的概况及相关的程序语法结构[8-9]，Athena和Atlas两大模块的使用操作学习各安排3学时，选择齐纳二极管、肖特基二极管的工艺制作和特性分析作为实例进行仿真。

(2) 综合实验。综合实验共安排16学时，在内容选取上需涵盖不同器件类型、物理模型、分析方法等，让学生在全面了解软件功能的同时，掌握理论知识在实践上的正确应用。

器件类型可以选择最经典的BJT(Bipolar Transistor)和MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，仿真模拟其工艺制作流程和基本的伏安特性、转移特性等。

Silvaco中的数值计算是基于一系列物理模型及其方程的，在不同的场合需使用不同的物理模型，仿真精度和正确性与物理模型的选择直接相关。在实验内容上安排不同物理模型对仿真结果的对比分析，可以加深学生对半导体器件理论模型的理解和认识。具体内容的选择包括：能量平衡模型、漂移扩散模型、深能级陷阱等对器件特性的影响。

对于半导体器件而言，端口的电学特性是评价器件性能好坏的主要技术指标，包括直流特性、交流特性、瞬态特性和一些高级特性。在实验内容安排上，以MESFET器件为对象，学习如何进行器件直流、交流、瞬态特性等的仿真。

(3) 研究实验。研究实验安排16学时，可以从新材料、新结构、新特性3个方面进行考虑，内容选取上及时融入当前研究热点[10]。

在新材料方面，可以选取第3代半导体材料，比如宽禁带的SiC、GaN等[11]，一方面让学生了解新材料的特性和其对器件性能的影响，另一方面学习仿真软件中如何定义新材料的特性。在新结构方面，可以选择VDMOS、IGBT等功率器件[12]，学生由此可以了解将常规的BJT和MOSFET进行组合或结构改进，能够形成实际应用非常广泛的大功率器件，同时可以学习如何利用软件定义器件的新结构。在特性方面，可以选择光电探测器、太阳能电池等光电器件[13-14]，学生在了解光电器件工作原理的同时，学习仿真软件如何定义关照、如何测量光电流等；更进一步，可以通过查找资料，探索研究如何改进光电器件的材料、结构等，从而优化器件的性能，使学生的创新思维、科研能力得到锻炼。

2.2 教学模式的改进

在实验教学的组织方式上，可以采用多课堂协同的开放式教学模式[15]。对于操作和综合性实验内容，采用常规的课堂集中训练，教师在实验过程中及时指导和解答学生的问题；对于研究和设计性实验，教师在课内布置相关的设计要求、技术指标等，要求学生课外查找文献，进行相关的研究和设计，课内进行操作和实施，并讨论解决过程中碰到的问题。这种开放式的教学模式，充分将课内与课外相结合，多课堂协同，方便研究、设计性实验的开展。在这种实验过程中，教师是学习活动的组织者、指导者和促进者，学生是学习活动的主体，可以实现以学生为中心的教学理念，有利于培养学生主动学习、积极探究的能力和创新意识，加强学生的团队协作和沟通能力。

2.3 考核体系的优化

实验内容整合和教学模式改革需要相应的考核体系支撑，才能合理评价学生的学习质量。实验改革的评价体系，应该能客观评价学生的实验过程和效果，需要根据实验的内容，安排其在总成绩构成中的相应权值，具体指标如表1所示。

表1 实验改革的考核评价体系

表1中，评价体系涵盖实验内容的各个部分，采用等级制，对学习结果进行A、B、C、D 4个等级的划分。对于研究性的实验内容，分配了30%的权重，能够充分区分优秀学生和普通学生的学习成果差异。相比于传统的成绩评价体系，所提出的评价方法对过程学习的评价内容更具体，涉及面更广，更能公正有效地评价学生的学习效果。

3 结 语

实验教学的创新改革是高校创新型人才培养的一个重要保障，在“新工科”背景下对半导体器件仿真大型实验的内容和教学模式进行改革，顺应了新形势的需要。依据该教改方案，在2014级电子科学与技术专业的学生中进行了实践，取得的成效主要体现在学生的能动性提高、思维活跃，同时能客观公正地评价每个学生的学习效果，总体效果良好。