材料模拟软件在半导体物理教学中的应用研究

王生钊 黄大勇 南春娟 高有堂 尹应鹏 胡冬梅 乔建良 徐源 宋金璠

摘要：根据半导体物理课程的教学内容和特点引入材料模拟和计算软件Materials Studio（MS）进行辅助教学，使抽象的理论知识通过模拟软件和计算实验形象化地展示出来，引导学生应用模拟和计算软件深入了解半导体材料的结构和理论性质，在使用MS软件模拟计算过程中加深对课堂上理论知识的理解，提高学生的学习兴趣与积极性，在促进学生们半导体物理学习和掌握方面取得良好的实际效果。

关键词： Materials Studio（MS）;半导体物理;VESTA;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）10-0185-02

《半导体物理》是微电子技术等课程的理论基础，是电子科学与技术、光电信息科学与工程、微电子学等专业的重要专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。但《半导体物理》的前序课程固体物理、量子学、热力学与统计物理、电动力学等专业课，部分高校局限于客观條件，没有将这些课程内容恰当衔接，造成广大学生在短时间内难以掌握半导体物理的内容，也使得学生在学习过程中遇到相当大的困难[1]。

半导体物理课程的理论基础知识分布较广，内容较多，前半部分的理论内容尤为繁杂众多，主要讲述了半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性与非平衡载流子等内容。如果在《半导体物理》教学过程中引入Materials Studio、Gaussian、VESTA、VASP等计算模拟软件，制作成可视化文件，在课堂上演示给学生，就可以增加学生的感性知识。学生们也可以自己设置参数，对半导体材料进行计算，对相关知识点及原理进行演示和计算分析，可以从材料科学的教学设计和教学手段上加以改进，使教学内容更加形象，知识点更易于被学生理解。在此过程十分有利于培养学生自主学习和实践能力，对提高教学质量和课堂效率也具有很大的促进作用[2-3]。

一、Materials Studio软件简介

材料计算模拟软件Materials studio是美国Accelrys公司为材料科学领域开发的一款科学研究软件。它采用了世界领先的模拟计算思想和方法，如量子力学、分子力学、蒙特卡洛、介观动力学等多种先进算法和分析方法。该软件采用了容易操作的Microsoft标准用户界面，主要包含Discover，DMol3，CASTEP等模块。Materials Studio程序包中的计算模块是通过Visualizer这个可视化核心模块整合在一起的，用户能够很方便地应用Visualizer模块构建有机、无极、聚合物、金属等材料的分子等模型，通过鼠标控制这些分子构型，可从不同角度查看并分析体系结构，容易形成直观的概念。

二、Materials Studio和VESTA软件在半导体物理教学中的应用

Materials Studio自带的数据库中的晶体结构可以用于教学演示，例如在硅材料科学与技术和半导体物理等课程的教学过程中，需要用到单晶硅的晶体结构，可以很方便地从Materials Studio软件的数据库文件夹中导入Si晶体数据文件，和VESTA软件联用，可以在课堂上为学生们从不同的晶面来进行展示（如图1所示）。可以通过Visualizer模块对硅单晶的原胞进行演示，可以得到每个硅原子与另外四个硅原子相连，由此可以说明硅原子的共价键取向及硅晶体的类金刚石型结构，源于硅原子电子轨道杂化，从而形成四个共价键。

教师和学生们可以通过CASTEP模块对硅单晶的原胞进行计算，能够得到Si的能带结构和态密度，通过对计算结果的分析，得出Si材料的带隙特点，如图2所示。

从图2硅的能带结构图可以看出，硅的费米能级在其禁带中间，体现出了典型半导体特征。硅的禁带宽度为0.613eV（与实验值1.12 eV有差距，需要学生们深入学习和了解），硅的导带最小值（导带底）和满带最大值（价带顶）在k空间中处于不同的位置，其形成半满能带时不仅需要吸收能量，还要改变动量，由此判明硅是典型的间接半导体材料。计算硅的态密度，可以得到硅的态密度图，根据硅的总态密度图可以直观发现其相应的禁带宽度，在相应态密度高的地方电子分布几率就越大，态密度图可以结合能带图来观察。

Materials Studio软件还可以计算材料的折射率、电导率、反射率等性质，学生们根据这些计算结果，可以与教科书或文献上的数据进行对比，学习硅半导体的各项性质，还可以对比说明计算方法的正确性，并以此为根据，采用同样的计算方法，尝试设计更多的新型材料，进行计算，提高学生学习兴趣。

由此，通过计算实例可以生动地说明教学中的知识点，学生可以根据自己的兴趣爱好，尝试进行不同材料分子模型的设计并进行模拟计算。通过计算结果的对比，可以初步探讨半导体材料的性质，在此过程中提高了学生的学习自主性和兴趣。同时，可以培养学生的学习主动性、动手能力，使其掌握一些基本的科学研究技能，增加其对半导体等科研领域的了解。

参考文献：

[1]杜永胜.Materials Studio在固体物理教学中的应用[J].技术物理教学，2009，17（3）：45-46.

[2]徐志广.Materials Studio软件在材料化学专业课程中的应用[J].数理医药学杂志，2011，24（3）：326-327.

[3]吴健.Materials Studio在结构化学教学中的一些应用[J].高校实验室工作研究，2007，93（3）：47-48.

Application of Material Simulation Software in Semiconductor Physics Teaching

WANG Sheng-zhao，HUANG Da-yong，NAN Chun-juan，GAO You-tang，YIN Ying-peng，HU Dong-mei，QIAO Jian-liang，XU Yuan，SONG Jin-fan

（Nanyang Institute of Technology，Nanyang，Henan  473004，China）

Abstract：According to the teaching contents and characteristics of semiconductor physics course，Materials Studio（MS） is introduced to auxiliary teaching.Abstract theoretical knowledge is visualized through simulation and computational experiments.Simulation and computational software is used to guide students to understand the structure and important theoretical properties of semiconductor materials.We can improve the understanding of theoretical knowledge in the using MS software simulation process.At the same time，we can consolidate the basic knowledge，important concepts and basic theories in semiconductor physics course.In this way，students' interest and enthusiasm is improved in learning through integrating theory with practice. Furthermore，it has achieved good results in enhancing students' comprehensive quality.

Key words：Materials Studio （MS）;semiconductor physics;VESTA;reform in education