浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革

张芳 任大庆 张纳

摘要：《半导体物理与器件》是半导体科学的理论基础。在教学过程中引入科研动态、CASTEP模拟计算、实验教学及微信公众号。通过CASTEP模拟计算半导体材料的能带结构、态密度和掺杂，3D结构可视直观，使学生更加深刻的理解半导体中的抽象概念。将理论付诸于实践，提高学生的动手能力，培养学生创新思维和实际解决问题的能力。

关键词：半导体物理与器件；CASTEP模拟；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）23-0133-02

一、引言

微电子集成电路（IC）作为半导体科学的应用分支是20世纪人类科技史最伟大的发明之一。以IC为代表的半导体产业作为信息产业的基础和核心，是国民经济和社会发展的战略性产业，在推动经济发展、社会进步、提高人民生活水平以及保障国家安全等方面发挥着日益重要的作用。

《半导体物理与器件》课程是半导体科学的理论基础，也是当今发展迅速IC技术的基础，阐述半导体物理特性和相关器件[1]。课程涵盖知识内容繁多，物理概念抽象，公式推导众多，有一定的深度和难度，是理论性和实践性并重的课程。该课程是光电信息科学与工程专业和应用物理专业的一门非常重要的核心必修专业课，具有较强的理论性、实践性、前沿性和科研性。《半导体物理与器件》的教学效果与学生的知识结构和就业以及未来发展的方向紧密相关[1]。因此，开展《半导体物理与器件》的教学改革，为企业培养应用型和创新型人才，具有重要意义[2]。

二、半导体物理与器件教学中面临的问题

目前，在该课程的教学过程中，主要存在以下问题。

1.总学时较少，学生基础知识水平参差不齐。《半导体物理与器件》涵盖了量子力学、固体物理、半导体材料物理以及半导体器件物理等内容，主要介绍晶格结构、固体量子理论初步、平衡态半导体、非平衡态半导体、载流子输运现象、同质p-n结、金属半导体接触、异质结以及MOSFET等几种核心半导体器件[3]。教材涉及的知识面广，内容多，学时少；在较少的课时中很难将内容全面展开讲授。同时学生的先修课程《高等数学》《固体物理》以及《量子力学》基础知识水平参差不齐，学生在学习掌握本门课程时，表现出较大的不均衡性。

2.课程内容抽象，教学方式缺乏吸引力。在传统的《半导体物理与器件》教学中，理论计算、公式推导和分析处于主导地位。教学过程中涉及的公式推导较多，物理概念较为抽象，同时教师主要采取传统讲解的教学方式。这类单一的教学方式很难让学生理解透彻，学生在进一步深入学习时倍感吃力，使学生缺乏自主学习的动力。

3.学生只注重半导体物理理论知识的学习，动手能力差，不能将理论与实践相结合。对于半导体物理与器件这门课程，学生进行相关实验操作或日常实践的机会很少，难以培养学生的动手能力，使理论与实践相背离。

三、半导体物理与器件的教学改进方法

1.追踪科研和学科研究动态，补充教学内容。在授课过程中主动引导学生的思路，培养学生的科研兴趣。根据学科的发展方向，不断更新课程内容，引入半导体的发展历史以及发展方向，完善学生的系统认知，从而提高学生的学习动力。充分利用学生的课余时间，布置几个与半导体前沿相关的题目，如半导体加工工艺近况调研、新型半导体器件应用情况分析、典型半导体发展历史等。让学生选择一个感兴趣的知识点，在图书馆或网络中自行查阅科研动态和参考文献，并在课堂中分享知识内容，增添课堂的活跃气氛。

2.形象化演示，引入CASTEP模拟软件。Matetiral studio（MS）由美国Accelrys公司于2000年推出，是分子模拟软件届的领导者。CASTEP即为MS软件的一个功能计算软件包。通过第一性原理，CASTEP可以模拟计算半导体、陶瓷、金属和矿石等晶体，研究一个系统的表面化学、结构特性、能带结构、态密度、光学特性、点缺陷（如空位、间隙或替位掺杂）。将CASTEP引入《半导体物理与器件》课程的教学过程中，比如，自己搭建金刚石结构的元素半导体硅和闪锌矿结构的化合物半导体砷化镓，计算其能带结构、态密度等特性，在课堂上将模拟过程和结果直接演示，不但更形象，还能使学生更加深刻的理解半导体的结构、费米能级、价带、导带、直接带隙半导体、间接带隙半导体等抽象的概念。此外，讲解非本征半导体特性，公式繁杂枯燥，不易于学生理解，如果在公式推导的基础上，加上相应的CASTEP模拟计算，使学生更加深刻地理解掺杂对半导体导电特性的影响。在半导体中，存在两种类型的掺杂：间隙式和替位式。只有掺入杂质为替位式，这样才可以改变半导体的导电特性。以本征半导体硅为例，引入三族元素硼作为受主杂质，随着受主杂质浓度的不断增加，CASTEP模拟计算其能帶结构和态密度的变化，分析发现费米能级逐渐向价带靠近；引入五族元素磷作为施主杂质，随着施主杂质浓度的不断增加，分析CASTEP模拟计算的能带结构图，发现费米能级逐渐向导带靠近。因此，采用CASTEP模拟软件计算难以理解的半导体抽象概念，加深理解半导体特性，使学生对半导体知识的掌握更加牢固、更加灵活，活学活用。

3.注重实验教学，培养学生动手能力和创新能力。利用物理科学与技术学院大学物理实验室和专业实验室的优势，有针对性的安排学生进行相关半导体实验。通过将现有的大学物理实验和专业实验（如非线性元件伏安特性测量、LED特性实验、太阳能电池的特性测量等）融入到对应的课程章节教学中，让学生明确实验所对应的半导体理论知识（开启电压、开路电压、短路电流、死区、整流特性、伏安特性、光伏效应、pn结、单向导电性、线性元件、非线性元件、普通二极管、稳压二极管、发光二极管等），进而到实验中去检验半导体相关知识的掌握情况。通过这些实验，学生掌握半导体特性的测量方法和基本测量电路，熟悉绘图软件origin和实验数据的处理方法（外延法、线性拟合等），加深对半导体的发光原理、光伏特性和非对称整流特性的理解，进一步开拓学生的思维，更加感性地理解半导体的相关知识。

4.课程微信公众号建设。随着网络技术的不断发展，智能终端设备与大学生的生活息息相关。建设《半导体物理与器件》课程微信公众号，设置基础知识、半导体理论模拟计算、物理实验、科研就业四个版块。采用动画、视频、模拟计算、物理实验等形象演示半导体物理与器件的理论知识，实现教学资源数字化，课堂教学与网络教学相结合。教学内容不断丰富，学生可以机动地利用课余时间学习半导体知识，不再局限于课时限制，逐步培养学生学习《半导体物理与器件》课程的兴趣，使学生更容易理解，提高教学质量。

四、结束语

以提高学生应用素质与综合创新能力为基本目标，立足于半导体物理与器件的教学过程，开展多元化教学，让学生了解研究热点和学科发展方向，全面地掌握半导体物理的基本理论知识和基本技能，提高学生的应用能力，初步培养学生的工程素质。

参考文献：

[1]高清运.“半导体器件物理”课程教学研究与探索[J].电气电子教学学报，2014，36，（6）：20-21.

[2]肖丙刚，王秀敏，赵吉祥.半导体器件物理课程教学实践探索[J].科技信息，2009，（30）：14.

[3][美]Donald A.Neamen，著.半导体物理与器件[M].赵毅强，姚素英，史再峰，等，译.北京：电子工业出版社，2018.