“半导体器件物理”课程教学的思考与探索

游 龙

（华中科技大学集成电路学院&武汉脉冲强磁场中心 湖北 武汉 430074）

现代工业朝着智能化和小型化的方向发展，其中信号的感知、采集、处理与存储都离不开集成电路芯片技术。芯片的性能直接决定着智能系统的性能和小型化的程度。在芯片领域，现阶段我国迫切需要解决“卡脖子”的问题，主要体现在两大方面：芯片制造和芯片设计。在芯片制造方面，怎样制造出高性能的半导体器件是其中的关键问题之一；在芯片设计方面，集成电路设计时需要调用各种半导体器件的特性，因此对器件性能进行理解并表征也是其中的重要问题之一。上述两个问题都涉及“半导体器件物理”课程的教学内容。因此，该门课程的教学，特别是课堂教学就显得至关重要。

近年来，对“半导体器件物理”课程的教学，已有论文在教学内容、教学方法、人才培养和思政教育等诸多方面进行了非常有价值的分析与探索，并提出了教学改革思路和方法[1-4]。笔者结合多年来的教学和科研经验，总结出“半导体器件物理”课程的教学方法和思路：一方面通过合适的教学技巧降低学生学习的难度；另一方面应该着重培养学生对半导体器件设计的创新能力，以及对器件性能的理解和表征能力。

本文对应上述教学方法和思路，提出四点浅见：第一，在讲解过程中，尽量结合日常生活进行形象化讲解，来降低学生的学习难度；第二，在讲解半导体器件物理知识时，注重体现器件的改进和发明，以培养学生的创新能力；第三，在讲解半导体器件时，注重器件特性的表征，以培养学生将器件应用于集成电路设计的能力；第四，在讲解过程中，引入思政元素，注重对学生的人生观和价值观的引导。现具体分析如下。

1 形象化讲解

在学习“半导体器件物理”课程的过程中，学生普遍反映许多知识点很抽象、难以理解，数学公式多且繁杂，因此课程难学。采用结合日常生活进行形象化讲解的方法可以降低学生的学习难度。下面以讲解自由电子浓度的计算和NPN 双极型晶体管的工作原理为例来进行具体的阐述。

讲解电子浓度时会涉及费米能级、状态密度、费米-狄拉克分布这三个概念以及它们的运用。通常讲解是这样的：根据能带理论，能带可以分为导带、禁带和价带，半导体中的费米能级处于能带中的某一位置，电子在能带中的分布服从费米-狄拉克分布，把费米-狄拉克分布和导带中电子的状态密度进行积分，求得电子浓度。形象化的讲解如下：

①能带理论。在半导体中，电子被共价键所束缚不能参与导电（对应于电子处于价带），电子获得能量挣脱共价键的束缚（对应于电子获得大于禁带宽度的能量后跨越禁带），成为能够导电的自由电子（对应于电子处于导带）。

②费米能级。在日常生活中，我们可以确定某个物体的位置，而在电子的世界里，无法确定某个电子的位置，只能确定在某个位置发现电子的概率。在绝对零度时，低于费米能级，发现电子的概率为1，高于费米能级，发现电子的概率为0。并且这种概率与温度有关，用费米-狄拉克函数表示。

③状态密度。比如，上课后，如果要计算学生的数量（电子浓度），可以认为教室外（费米能级以上）发现学生的概率为0，教室内（费米能级以下）发现学生（电子）的概率为1，在教室内，并不是处处都有座位，过道上是没有座位的，只有座位上才能坐学生，这种座位的密度就对应着学生（电子）的状态密度。只有导带才能容纳自由电子，导带里面座位的密度就是电子的状态密度。因此，需要把费米-狄拉克函数与电子的状态密度进行积分，才能得到自由电子的浓度。

讲解NPN 双极型晶体管的放大原理时会涉及发射结和极电结之间的偏置问题，只有当发射结正偏、极电结反偏时，晶体管才会工作在放大状态。笔者讲解通常是这样的：在基极和发射极之间加正向电压，电子由发射区流向基区，流至基区的电子中的一部分与基区的空穴复合形成基极电流，然后在集电极和基极之间加正向电压，让流至基区的电子中的另一部分被集电区收集，形成集电极电流，集电极电流比基极电流大很多，因此晶体管具有电流放大作用。可用“商场利用促销作为噱头吸引顾客到商场购物”来进行形象化的讲解：

马路（发射区）上有很多行人（自由电子），路边有个商场，商场门口搭了一个小的促销台（基区）在做活动，行人被小促销台所吸引，到了商场门口。行人中的少部分驻足促销台前参加促销活动（基极电流），大部分顺着商场入口进入商场内部（集电区）购物（集电极电流），进入商场内部购物的人（集电极电流）比参加促销活动的人（基极电流）多得多。

如上所述，用日常生活中能够遇到的情形来解释，可以把深奥难懂、晦涩抽象的“半导体器件物理”中的知识点讲解得让学生易于理解和接受。

2 采用体现改进和发明的思路

各种半导体器件的相同点体现在它们的工作原理都可以用能带理论进行解释。在对它们进行讲解时，除了解释工作原理之外，应该着重于讲解它们的不同点，而这些不同的半导体器件相关的知识点看起来比较零散，可采用体现改进和发明的思路来进行讲解。下面以讲解晶体管的发展为例来进行具体的阐述。

现阶段比较成熟的、在工业界得以应用的半导体器件都是前人发现、反复试验并不断改进之后，才得到认可和普遍应用的。因此，在讲解的过程中，教师可以引导学生一起，体会发现和改进的乐趣。晶体管由双极型晶体管，发展到场效应晶体管，是因为后者功耗更低、更易于集成。随着集成电路发展过程中对低功耗和集成度要求的提高，传统的平面型场效应晶体管发展到了鳍式场效应晶体管和围栅晶体管。上述晶体管已经在业界得到了应用，它们发展的总体思路是增强栅控能力来提高晶体管的开关速度和改善关断沟通电流的能力。为了进一步提高晶体管的开关速度，突破上述场效应晶体管亚阈值摆幅的限制，科研工作者又提出了基于隧道效应的隧穿型晶体管和负电容的铁电晶体管，作为新一代晶体管的候选者。

如上所述，在讲解过程中，对半导体器件的发展体现改进和发明，可以提高学生的学习兴趣。除此之外，为了让学生知晓国际上先进的半导体器件及其发展趋势，可以布置专业外文文献的阅读，这样有利于学生进一步从事相关的科研工作。

3 注重器件特性的表征

在应用上，半导体器件是集成电路与系统的基础，是为其服务的。因此，在讲解半导体器件物理知识时，不仅要在物理层面让学生易于接受，而且对于器件的外部特性的表征也要加以强调。因为在集成电路设计过程中，需要调用对应的半导体器件特性，主要是电流电压特性和电容电压特性，还有器件的稳定性和噪声特性等。例如，在讲解场效应晶体管时，需要对其阈值电压参数、迁移率参数和电容参数进行讲解。在讲解相应的公式之后，可以搭配画一些相应的图来表征晶体管的特性。图形可以让学生对晶体管的特性形成直观的认识。还可以给学生布置一些简单的集成电路SPICE仿真练习，让学生了解晶体管的特性对电路性能的影响。这种结合集成电路设计的讲解不仅可以提高学生的学习兴趣，还可以提高学生的工程实践能力。

4 引入思政元素，立德树人

在课程的讲解过程中，引入思政元素，适时介绍我国老一辈半导体科学家科技报国的事迹和家国情怀，弘扬他们的优秀品质，有利于帮助学生树立正确的人生观和价值观。每个人的命运都与国家和时代的命运紧密相连，回顾“中兴”及“华为”事件，以及2022 年美国国会通过的《2022芯片和科学法案》，并分析现阶段我国面临的复杂国际形势、在半导体器件和电路领域与国外的现实差距，及受到在这方面发展较早的国外的技术封锁，唤起学生的爱国情怀和忧患意识，唤起新一代青年学生刻苦学习、扎实科研和奋发图强，充分调动学生的学习自觉性，在自己的专业领域能跟踪国际先进技术并能做到全球顶尖，为国家、为民族服务，为解决国家面临的困境出力，做出自己的贡献。因此，教师在课程的讲解过程中，引入思政元素是非常有必要的。我国老一辈的半导体科学家，例如黄昆、谢希德在中华人民共和国成立初期，国家一穷二白的时候，毅然回国，投身祖国的半导体专业建设，为祖国培养了大批半导体人才。科学家的精神不仅能激发学生科技报国的理想，同时也进一步激励了教师为国家培养人才的信念和决心。

5 结语

在“半导体器件物理”课程教学的过程中，教师可以运用日常生活中的对比来形象地解释半导体器件的工作原理，以帮助学生对一些比较抽象和晦涩的基本概念进行理解。在教学过程中，教师应该侧重于培养学生对半导体器件设计的创新意识，侧重于培养学生对半导体器件特性的表征以及在集成电路中的工程应用理解能力。同时，在讲课时，加入思政元素，适时介绍老一辈半导体科学家科技报国的事迹，帮助学生树立正确的人生观和价值观。