微电子科学与工程专业“半导体物理”课程教学的改革与探索

叶小娟

(1.南京邮电大学 电子与光学工程学院，江苏 南京 210023；2.南京邮电大学 微电子学院，江苏 南京 210023)

0 引言

半导体科学是一门发展迅猛的应用性学科，主要集中在两个方面的研究：一是半导体材料和器件的基本性能和内在机理；二是半导体的工艺技术和应用。“半导体物理”是半导体专业最基础、最重要的课程之一，主要介绍半导体材料和器件中的重要物理现象，阐述半导体器件工作的基本物理原理、各种性质和基础理论等。半导体产业在综合国力的较量中占有非常重要的位置，关系到国民经济整体效益和国家安全，因此国家大力发展半导体产业，以期在此关键领域争得主动权。

“半导体物理”作为微电子专业的重要课程之一，对于相关学科的发展以及学生专业素质培养非常重要，然而由于这门课程内容抽象、教学模式单一，学生在课堂上参与度不高，导致教学效果往往不太理想[1-3]。因此，笔者结合近几年的教学过程，总结发现的问题，进行一系列的教学方法改进：在教学过程中，引入当今半导体领域的研究现状以及科学前沿问题，调动学生的学习热情；在讲授过程中，适当抛出问题，让学生课下调研，提高课堂教学效率；将理论、实践、创新融为一体，构建符合现代工程教育的“半导体物理”教学，提高学生解决实际工程问题的能力。

1 半导体物理教学现状

南京邮电大学“半导体物理”课程采用的教材是刘恩科等主编的《半导体物理学》(第七版，电子工业出版社)，该教材是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，电子科学与技术类专业精品教材[4]。结合近年来笔者对教材的研究以及教学实践过程的观察，对该教材的特点以及教学过程中尚存在的问题总结如下。

1.1 教材知识点繁多，学生的学习积极性不高

理论课程涉及的知识面非常广，基本概念很多，理论推导繁杂，科学内容深奥，应用性极强。对先修的高等数学、固体物理与量子力学有一定的要求。尤其第一、二章涉及了一部分固体物理的概念、基本理论，第三章涉及量子力学及高等数学的相关知识。学生对先修知识的掌握欠佳，深度不足，导致对“半导体物理”开篇的衔接有些吃力，影响学生的学习热情[5]。

1.2 课程以理论讲授为主，学生分析和解决问题的能力欠缺

随着半导体行业的迅速发展，半导体物理出现了很多新的理论和研究成果，知识体系更新较快，交叉学科更加广泛。目前“半导体物理”的教学主要以理论讲授为主，讲解半导体物理的基本概念与理论，缺乏理论联系实际的解决问题能力的培养。以科学研究引导学生自主研习，开拓学生的视野，让学生深入了解半导体物理发展的前沿，提升学生运用半导体物理基本原理进行半导体器件的性能设计的能力，是目前“半导体物理”教学的发展方向[6-7]。

2 教学改革初探

针对教学中的相关问题，笔者为了调动学生的学习积极性，采取了一些教学思路的调整。首先，在授课过程中，引入目前半导体材料研究的热点，结合相关科研软件，比如Material Studio，展示如何进行新型半导体材料的预测以及相关性能的调控。其次，充分发挥学生的主体性，在课程讲授之前提出几个相关本节课程内容的问题，让学生在课下进行调研，提高课堂上的学习效率。再次，定期安排知识拓展课，讲授方式以学生为主导，锻炼学生不仅要做到学会了知识，还能运用自己的思路语言讲清楚相关知识，实现知识的输入与输出，检测学生的学习成果，鼓励学生进行举一反三练习，加强学生运用所学理论知识解决实际工程问题的能力。该方法得到了大多数学生的积极参与，并得到了学校教学督导组专家的肯定与好评。

2.1 引入科研热点引导学生的学习动力

“半导体物理”是一门结合“半导体物理”以及量子力学两门专业基础知识的课程，系统研究半导体材料及相关器件结构中的载流子分布以及运动。“半导体物理”主要讲授的半导体材料：Si、Ge、石墨等单元素半导体；GaAs等III-V族化合物半导体；ZnO等II-VI族化合物半导体。重点为IV族单元素以及III-V族半导体。然而随着半导体领域的飞速发展，电子器件的微型化，对低维的新型半导体的需求日益增加。国内外科研工作者采用一定手段预测各种新型半导体材料，并尝试用各种实验手段获得新型低维半导体材料，比如机械剥离法可以成功获取二维石墨烯材料。首先，笔者拟引入相关科研研究现状，抛出当今急需解决的问题，结合“半导体物理”相关知识，让学生带着需求去学习基础知识，有助于帮助学生运用所学知识去解决实际问题。其次，在课堂教学中引入理论研究的材料计算软件Material Studio，通过该软件的导入，学生可以亲自实践在半导体中引入杂质之后的能带结构，通过分析能带结构，了解杂质能级的位置，分析半导体的导电能力等等。

例如，通过MS软件可以获得ZnO的晶体结构(见图1)，通过计算得出能带结构。我们可以尝试采用V族元素N对晶胞中的O进行替换，再次进行结构优化，计算能带结构。在ZnO中引入N元素替代O元素，相当于是受主掺杂，导致体系内的电子浓度降低，进而影响能带结构，影响半导体的相关导电行为。从能带结构上可以看到，N掺杂的ZnO由于N的引入，产生了一定的磁性，并且能带结构中，靠近价带顶的位置，可以分辨出杂质能级的出现，即受主杂质的杂质能级处于接近价带顶的位置，起到接受电子的作用。通过模拟的过程，使学生对半导体的调控加深了认识，并掌握了一定的研究手段。N掺杂的ZnO结构(除标记的O和N之外的原子为Zn)如图2所示，ZnO能带结构如图3所示，N掺杂的ZnO的能带结构如图4所示。

图1 ZnO晶体结构

图2 N掺杂的ZnO结构(除标记的O和N之外的原子为Zn)

图3 ZnO能带结构

图4 N掺杂的ZnO的能带结构

2.2 课题研究法调动学生的主动性

在讲述第二章的时候，涉及半导体中引入不同的杂质，调整半导体的导电类型以及导电能力。在课程讲述之前，向学生提出问题，如何实现半导体导电类型的转变和导电能力的调节，以及半导体中引入缺陷会发生什么结果。

在课下，学生需要分组来完成相关问题的解答，并利用科研软件MS 进行简单半导体导电能力及导电类型的计算，通过分析能带结构，电子结构等信息，总结初探问题的思路。在课程开始讲授时，分组汇报研究结果，再进行汇总式讲解第二章的知识要点。以学生调研为主导，课上讲解为辅，增加学生对知识的理解以及掌握，并熟悉一些科研手段。

2.3 反转课堂，以学生为主导进行知识拓展课讲授

为了检查学生的学习结果，针对每章节的课后作业，定期设置课后拓展课程，目的是检查学习效果，锻炼学生运用知识解决问题的能力。笔者在几年的“半导体物理”教学过程中，采取学生主导的拓展课程，让学生对章节知识进行梳理，总结归纳，并由不同同学对课后习题以及课上练习进行讲授，锻炼学生把所学知识能够准确输出，提高用理论解决实际问题的能力，大大调动了学生的学习积极性。

3 结语

“半导体物理”由于课程内容的理论性极强，对于先修课程的要求较高，学习起来难度较大，使部分同学产生了畏难情绪，学习兴趣不足。为了调动学生的学习兴趣，提高课堂学习效果，笔者引入科研热点介绍，利用课题研究法、反转课堂等手段，大大消除了学生的畏学情绪，课上积极参与教学活动，学习效果有很大的提升，增强了学生利用所学理论知识分析解决实际问题的能力。