《半导体物理学》教学方法探讨

安强 林沂

摘要：半导体物理学是电子科学与技术、微电子专业方向的一门核心课程，内容广、概念多，理论性和系统性较强，对教师的授课水平、学生的学习能力要求都比较高。本文基于半导体物理学课程的特点，对该课程的教学方法进行探讨，旨在提高学生学习兴趣、培养学生创新意识、提升课程教学质量效果。

《半导体物理学》是电子科学与技术、微电子等专业本科生的一门重要的专业基础课程，主要研究半导体中原子状态和电子状态及电子输运等，是固体物理学的一个分支[1]。该课程理论性和系统性均较强，物理理论深奥、理论推导复杂，涉及内容包括固体物理、量子力学、数学物理方法、统计物理等多门课程，也是后续电子器件基础、电子技术基础、集成电路设计与工艺等课程的基础。通过该课程的学习，使学生了解掌握半导体物理中的基本概念和基本原理和半导体材料及器件的基本研究方法，培养学生半导体器件相关的工程实践和综合应用能力。为提高该课程的教学质量，本文基于《半导体物理学》的课程特点，对该课程的教学方法作几点思考，供该课程的广大教学工作者探讨。

一、课程特点

（一）物理概念多

《半导体物理学》课程最大的特点就是物理概念特别多[2]，且多从微观角度定义，理解难度大。如课程中最常见的能带结构图中就有导带、价带、导带底、价带顶、能隙、费米能级等数个概念;此外，半导体材料的杂质，根据杂质提供载流子的类型可分为施主杂质和受主杂质，根据能级的深浅可分为浅能级杂质和深能级杂质，根据杂质原子的位置不同又分为替位式杂质和间隙式杂质。另外，根据杂质原子的不同特点，还能成为两性杂质、多能级杂质，学生理解起来比较困难，很难形成一个清晰的物理图像，极易混淆。

（二）基础理论难

《半导体物理学》课程的主要内容包括半导体的基本知识和性质、接触现象、特殊效应等三个方面，其中，研究半导体材料中的原子状态主要以晶体结构学和点阵动力学为基础，研究电子状态主要以固体电子论和能带理论为基础，知识点多面广、物理模型复杂、近似处理较多，需要学生有较好的空间想象能力和扎实的数学物理基础[3]。对半导体材料性质的分析，要从微观和宏观两个角度上进行定性和定量分析，需要经典、半经典、全量子理论的结合，思维跨度比较大，学生掌握起来有一定的难度。

（三）应用领域广

《半导体物理学》是半导体器件设计和制作的基础，半导体器件的导电性介于导体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊的电学特性来完成特定的功能，如信号的产生、控制、接收、变换、放大以及能量转换等。半导体器件是信息化的基石，应用涉及信息、装备、能源等多个领域。半导体器件在生活中随处可见，比如计算机中CPU、手机的内存和运存芯片、指纹锁上的指纹识别芯片等集成电路，LED发光二极管、激光笔、太阳能电池等光电器件，这些半导体器件在设计和制作上都需要扎实的半导体物理学基础知识。

二、教学方法探討

（一）更新教学理念

半导体物理学的应用领域极其广泛，教学过程中要改变传统的“灌输式”讲解方式，注重结合实际应用、前沿热点，不断融入新知识、新理论、新方法，合理整合教学内容，系统性的讲解课程结构中的知识点，充分激发学生学习兴趣。在授课时，可首先从日常生活中常见的半导体器件引入问题，如前述的计算机CPU、激光笔、太阳能电池等，让学生“知其然”，而后通过理论分析、实物展示、物理解释等教学手段和方法，系统性的讲解半导体物理器件的基本概念、基本原理、基本方法，让学生“知其所以然”，最后结合前沿研究热点引导学生进行应用创新研究，让学生对半导体器件有一个完整而清晰的认识。

（二）创新教学方式

授课教师的教学方式对课堂效果具有很大的影响。《半导体物理学》课程中基本概念多、理论性强，可以使用对比分析的方式进行教授，详细讲解其相同点和不同点，便于学生更好的区分和理解，比如施主杂质、施主能级与受主杂质、受主能级，浅能级杂质和深能级杂质;也可以从不同角度讲解，比如将缺陷能级从空间角度和能带角度去分析，让学生在材料结构和工作原理上加深理解和认识。同时，课堂中注重启发教学方式的运用，课前提出问题引导学生思考，课中针对问题讲解基本知识点，课后升华问题深化理解运用，培养学生的探索能力和创新思维能力。

（三）活用教学手段

教学手段是教学过程中传递信息的工具、媒体或设备等。《半导体物理学》课程知识比较繁杂，仅仅依靠板书、课件等传统教学手段是远远不够的。在教学过程中，根据每节课讲授的内容特点，可以通过板书循序渐进的引导学生一起推导较难的公式;通过PPT、Flash等多媒体软件、实物模型、虚拟仿真技术等模拟微观过程[4]，将抽象的概念生动的体现出来，使教学信息具体化、逻辑思维形象化，增强教学的直观性;也可以通过在课堂中穿插前沿讲座[5]，将最新的半导体领域发展动态和科研成果实物引入课堂，详细讲解其工作原理，进一步扩充教学内容、开阔学生视野、激发学习兴趣。同时，鼓励学生参加电子设计竞赛，通过具体的实践活动，引导学生主动思考问题，在解决实际问题中打牢基础，培养创新能力。

三、结语

《半导体物理学》是电子科学与技术、微电子等相关学科的基础课程，其教学效果直接关系到学生的未来就业发展方向。物联网、人工智能、新能源等新兴产业的发展也离不开半导体材料，半导体产业的发展关系到电子信息产业相关的“卡脖子”技术是否能牢牢的掌握在我们自己手中，关系到国家整体利益和国家战略安全。在今后的《半导体物理学》课程实践教学中，应根据课程特点，通过更新教学理念、创新教学方式、活用教学手段等方式，不断提升课堂教学效果，持续打牢学生学习基础、激发学生创新意识，培养适应新时代要求的高素质专业化新型人才。

参考文献：

[1]刘恩科， 朱秉升， 罗晋生. 半导体物理学[M]. 北京：电子工业出版社， 2017.

[2]汤乃云. 微电子专业“半导体物理”教学改革的探索[J]. 教程教材改革， 2012（236）， 59-60.

[3]段理，谢子锋，于晓晨，倪磊，樊继斌，张研. 《半导体物理学》课程教学改革与实践[J]. 教育现代化， 2018（9）， 100-101.

[4]张德伟. 《半导体物理学》教学改革探讨[J]. 科技教育， 2015（27）， 151-153.

[5]吴宏伟， 陈华俊. 半导体物理学教学模式的改革与创新构想[J]. 科技视界， 2017（4）， 77-78.