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半導體物理教學改革與實踐

摘要:“半導體物理”是微電子科學與工程等工學專業最重要的一門專業基礎課程。為了適應工程教育專業認證對人才培養的要求,筆者以CDIO工程教育理念為指導,通過改革授課方式、授課內容以及借助于多種媒體教學手段進行理論、實踐和創新為一體的半導體物理教學改革和實踐,不但提高了學生主動學習的積極性,而且增強了學生綜合利用所學知識解決工程實踐問題的能力。

關鍵詞:半導體物理;工程教育;教學改革;工程實踐

工程教育專業認證是工程教育質量的重要保障,有利于促進工程教育改革,提高工程教育質量,增強工程教育人才適應社會的能力。半導體物理作為半導體科學的理論基礎,是微電子科學與工程、集成電路設計與集成系統等工程教育專業所必修的專業基礎課程,對學生深入學習專業知識,增強解決實際工程問題的能力具有重要的作用。然而現有半導體物理的教學方式仍以注重理論知識傳授為主,忽略了學生工程實踐能力和創新能力的培養,不能滿足國家工程教育專業認證的要求。為了解決這種以理論教學為主而忽略工程實踐的關鍵性問題,學校以CDIO即構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)的工程教育理念為指導,將理論、實踐、創新融為一體,構建符合現代工程教育的半導體物理教學,通過融入工程教育思路的半導體物理教學改革,全面提升學生創新意識和解決工程實踐問題的能力。

一、半導體物理教學現狀分析

1.課程注重理論知識講授,學生解決復雜工程問題的能力不足

目前半導體物理課程的教學過程以理論講授為主,主要講解基本物理概念和理論,缺乏與實踐結合的綜合性案例分析來指導學生進行工程實踐。雖然筆者所在學校已在整個半導體物理的教學過程引入了研究性學習的思想,將科研中涉及半導體物理的主要知識點融入教學中,但學生應用所學的理論知識解決半導體材料、工藝和器件中問題的能力還不夠。學生還需在老師的指導下進一步進行實踐和創新能力的訓練,提高工程設計意識和綜合工程設計的能力。

2.課程知識點繁多,學生主動學習的積極性不高

半導體物理教學涉及的知識面廣,基本概念多,理論繁瑣,內容深奧復雜。同時學生對先修相關知識點的掌握不是很透徹,導致知識點前后難以銜接,學起來會感到頭緒繁多,難以理解。此外,半導體技術發展非常迅速,新的理論和研究成果不斷呈現,知識更新快、學科交叉更深入,因此教師很難在有限的授課時間里覆蓋所有內容。而此時學生的主動學習和探究問題的能力就變得更加重要,但是由于該課程概念多、理論深、公式復雜,學生主動學習的積極性不高。

3.配套教學資源不足,學生對抽象知識的理解不深刻

半導體物理涉及的物理概念多,理論復雜,由于實驗條件和學時的限制,學生不能通過實驗來驗證物理過程,學生對物理的概念和理論通過抽象的記憶性理解,因此這種理解不深刻。雖然有些高校采用一些仿真課程輔助半導體物理的教學,PPT中也增加了一些動畫幫助學生理解物理過程,但這些輔助的效果不十分理想。所以,教師在教學中增加與實踐問題相關的教學案例,完善多媒體教學課件內容是非常必要的。

二、教學方法的改革和實踐

1.采用CIDO工程教育理念的教學模式

傳統的教學方法采用課堂講解、習題練習、課后答疑等集中式教學方式,注重的是理論的思考過程,沒有將解決工程實踐問題作為授課的導向。工程教育專業認證強調的是以學生為中心的教育理念,以成果作為教育的取向。我們以CIDO工程教育理念為教學思路,改變原有以教師為主的教學組織形式,采用以學生為教學主體,老師為輔的教學模式。在教學過程中加強學生的形象思維的訓練,在課堂上通過創設工程問題情景,展現問題形成過程,激發學生主動學習和實踐創新的積極性,探索出培養工程應用型人才有效的教學方法和教學手段。例如,在學習了第二章雜質的補償作用后,提出怎樣利用雜質的補償原理來制備各種不同特性的N型和P型材料,怎樣制備出形形色色的半導體器件的問題;在學習了第三章雜質半導體載流子濃度隨溫度和雜質濃度的分布后,提出怎樣測試雜質的電離能和半導體材料的禁帶寬度的問題;在學習了第五章復合理論和陷阱效應后,提出光電探測器暗電流的主要產生機理是什么,采取怎樣的措施能減小暗電流的問題;在學習了第八章MIS結構的基本原理后,又提出電荷耦合器件CCD的工作原理和怎樣提高CCD量子效率和讀出速率的問題。在課堂教學時,針對每章的關鍵性原理都提出一些與半導體工程實踐緊密結合的科學問題,采用在課堂上提出問題——學生課后查閱資料——課堂學生講解——分組討論——老師點評的模式,側重培養學生利用半導體基本原理解決半導體工藝和半導體器件中所遇到的實際的工程性問題。這種基于CIDO工程教育理念的教學模式研究既激發了學生主動學習的積極性,又增強了學生的實踐創新能力。

2.構建合理的教學內容

首先,把握好整體知識框架,做好先修和后續課程的知識銜接。例如,第1章講解半導體的晶體結構時簡單介紹固體物理有關晶胞結構、晶體結合力、布里淵區與能帶理論等先修知識,以便學生更好地理解本章內容。例如,第八章講授半導體表面與MIS結構內容時,重點講解MOS器件表面在不同偏壓下表面狀態的變化,分析閾值電壓的構成和影響因素,為后續半導體器件物理學習MOSFET器件的結構和工作原理打下堅實的理論基礎。其次,不斷跟蹤國內外有關半導體物理學科的研究前沿,將最新的成果和最新信息引入課堂教學,不斷豐富教學內容。例如,我們增加InGaAs、GaN等化合物半導體材料特性以及構成異質結在光電探測器和大功率高頻器件中應用的介紹,增加MOS器件溝道尺寸對閾值電壓的影響等較新的內容。更重要的是我們拋棄了復雜的理論推導,把每章的重點知識串接在一條主線上,突出重點概念和原理性知識,合理地構建綜合性的教學內容來充分訓練學生的工程應用能力,讓學生能站在較高的層次上全局把握每章的核心知識,盡早建立牢固的工程概念和工程意識,將所學的知識用于解決半導體材料、工藝和器件方面的實際問題。例如,教師在第一章內容的講解時,以半導體材料的能帶結構為主線,將晶體結構、電子運動狀態、能帶模型、空穴、有效質量、回旋共振實驗等重要知識點串接在這條主線上。最后,重點分析硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等常用半導體材料的能帶結構,引導學生根據這些材料在能帶結構上的不同,分析它們的優缺點和不同的應用范圍,進而引導學生建立通過優化能帶結構來獲得器件性能提升的思路,為學生今后從事半導體材料科學的研究建立早期的工程概念和工程意識。

3.融合多種媒體教學手段

半導體物理涉及的基本概念和原理較抽象,傳統的依靠單一PPT的多媒體教學過程使學生感覺學習枯燥,造成學習興趣不高。因此,教師在應用傳統的教學手段基礎上引入多種媒體教學手段,將授課內容通過多媒體形象化展現,使學生對半導體知識的理解從抽象思維轉變為形象思維,在整體上把握好半導體主要基本理論和重要概念,從而加強學生對深奧和抽象的理論和概念的理解,提高學生對半導體物理學習的興趣。例如,在解釋空穴、能級分裂、本征激發、非平衡載流子產生與復合、金屬與半導體接觸等基本概念時均采用形象、直觀的動畫演示將物理機理地展現在學生面前,便于學生發現基本物理概念的本質和規律,為學生分析問題創設情境。在講述半導體摻雜理論、復合理論、MIS結構理論等重要的半導體原理時,采用TCAD仿真輔助教學的方法,將半導體材料中載流子濃度、各種復合電流、MIS結構表面載流子濃度隨偏壓的變化通過仿真結果向學生直觀展示,促使學生認識物理機理本質,提高學生應用所學知識發現問題和解決問題的能力。對于一些無法開展但非常重要的半導體物理實驗,我們通過制作動態影像向學生形象展示重要的物理過程。例如,對于著名的測量半導體載流子遷移率實驗,通過將實驗結果動態展示,可以幫助學生理解光生載流子在電場作用下同時進行擴散、復合和漂移運動的全過程,有助于學生掌握連續性方程求解非平衡載流子濃度的變化和對遷移率、擴散系數、產生/復合等重要物理概念的理解。

三、結論

我們開展面向工程教育的半導體物理教學改革,在教學中引入CDIO工程教育的思路,改變原有以理論授課為主的教學模式,通過創設綜合性的工程實踐問題,提高學生利用所學知識發現和解決相關工程問題的能力。同時構建合理的教學內容,通過形象化教學和融入多種媒體教學手段,增強學生對抽象理論和概念的理解,激發學生學習的熱情和興趣。通過這次教學改革實踐,學生主動學習的積極性得到很大的提高,學生能從整體上把握重要的半導體理論和概念,提高了綜合分析和解決半導體材料、半導體器件領域工程問題的能力。

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作者:徐躍 單位:南京郵電大學電子與光學工程學院微電子學院

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