《半導體物理與器件》課程教學改革的若干思考

洪學鹍

（常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500）

0 前言

隨著半導體技術和集成電路的飛速發(fā)展，現(xiàn)代半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了設計—制造—封裝測試的完整產(chǎn)業(yè)鏈，其應用覆蓋了電腦、汽車電子、激光器、太陽能電池、光纖通訊、半導體照明及平板顯示等各個領域，年銷售額超過3000億美元，已然成為國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[1]。作為掌握半導體技術的一門先導性課程，半導體物理與器件課程旨在研究半導體材料和器件的基本性能和內(nèi)在機理，是研究集成電路工藝、設計及應用的重要理論基礎。該課程理論較為深奧、知識點多、涉及范圍廣、理論推導復雜、學科性很強，對于學生的數(shù)學物理的基礎要求較高[2]。而現(xiàn)行的教材特點及傳統(tǒng)教學方式大都強調(diào)繁瑣的理論推導，容易使學生陷入“只見樹木，不見森林”的境地，在茫茫的公式海洋中逐步喪失學習興趣，影響了課程的教學質量。因此迫切需要對這些問題與不足進行改革，優(yōu)化和整合教學內(nèi)容。本文從注重物理學史的介紹、理論推導與定性分析相結合、利用形象化教學、注重理論和實踐相結合以及培養(yǎng)學生查閱文獻能力五個方面，對課程的教學改革進行了若干思考，力求為學生呈現(xiàn)一個條理清晰、理論分析簡練、物理圖像明確、多方互動的教學過程，逐步培養(yǎng)學生學習半導體物理與器件課程的興趣，促進教學質量的提高。

1 加強半導體物理學史的介紹

物理學是研究物質的組成及其運動規(guī)律的基礎科學，是自然科學的基礎。而物理學史是研究物理學概念、定律和定理的起源、發(fā)展、變化，揭示其發(fā)生、發(fā)展的原因和規(guī)律的一門學科，充分體現(xiàn)了人類認識自然界由簡單到復雜、由表面到本質的認知過程，其中包含了大量的方法論和認識論，蘊涵了豐富的科學素質和人文精神。打個比方，在教學中講物理學理論，會給學生以知識，而講物理學史，則會給學生帶來智慧。牛頓說過：“如果說我比別人看得遠一點,那是因為我站在巨人的肩上。”著名的物理學家朗之萬也曾指出：“在科學教學中，加入歷史的觀點是有百利而無一弊的?！币虼嗽诎雽w物理與器件的教學過程中，適當穿插物理學史的內(nèi)容，把物理知識的來龍去脈作出歷史的敘述，不但能激發(fā)學生學習興趣、活躍課堂氣氛，而且還具有以下兩方面的作用：首先有助于學生對半導體物理與器件知識點的系統(tǒng)化。記憶一段充滿探索者思索與創(chuàng)造、艱辛與執(zhí)著、悲歡與激情的歷史肯定要比一堆單純、枯燥的公式容易多了。例如，半導體物理的理論基礎就是量子力學，而量子力學之所以出現(xiàn)就在于諸多經(jīng)典物理學無法解釋的實驗現(xiàn)象。從黑體輻射引出了普朗克的輻射量子化假設、光電效應引出了愛因斯坦的電磁波能量量子化、分立原子光譜的觀測到原子模型的建立過程、再到德布羅意物質波理論、薛定諤方程的建立和求解以及能帶理論的建立等等，了解了物理學史的發(fā)展，就系統(tǒng)地串聯(lián)了課程的知識點；其次有助于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)?？茖W素養(yǎng)與知識相比是更深層次的東西，是對知識本質的理解、內(nèi)化和激活，它包含科學知識、科學思想、科學態(tài)度和科學方法。把知識教育的基本內(nèi)容同歷史發(fā)展過程結合起來，讓學生了解科學家發(fā)現(xiàn)物理概念、物理規(guī)律的歷史過程，循著科學家的思維方法和探索途徑來“發(fā)現(xiàn)”物理概念和規(guī)律，敢于持懷疑、辯證的態(tài)度來看待科學問題，學會運用觀察和實驗、類比和聯(lián)想、猜測和試探、分析和綜合、佯繆和反正、科學假設等科學方法來研究問題，使自身的科學素養(yǎng)得到提升[3-4]。

2 理論推導與定性分析相結合

半導體物理與器件課程最典型的特點就是公式多，理論推導復雜，通常要求學生具有較高的數(shù)學物理基礎。但是如果一味地追求理論推導，則容易讓學生陷入困境，不知所措。例如在講解量子隧道效應的時候，通常需要先求解一維無限高方勢阱中粒子的薛定諤方程，以獲得粒子在勢阱中的波函數(shù)分布，然后再求解一維有限高方勢阱粒子的波函數(shù)。這兩個步驟涉及了大量的理論計算，尤其是后者的計算更為復雜，完全推導完需要耗費大量的時間和精力，也容易使學生感到反感。實際上，在求解獲得一維無限高方勢阱中粒子的波函數(shù)之后，就可以采用定性的方法去分析有限高勢阱中粒子的運動行為。在一維無限高方勢阱中，由于假設了邊界處勢壘能量是無窮大，因此波函數(shù)的導數(shù)在邊界處是不連續(xù)的。然而在有限高勢阱中，由于邊界處的勢能是有限值，因此不僅波函數(shù)在邊界處連續(xù)，其導數(shù)在邊界處也必須連續(xù)?？梢韵胂?，其波函數(shù)在邊界處一定是漸變的，勢必延伸到勢阱外，亦即波函數(shù)在勢阱外也不為零，說明勢阱中的粒子有通過勢壘的可能性。按照經(jīng)典物理的理解，粒子將會百分之百被勢壘彈回，而不可能通過勢壘，但在量子力學中就完全不同了，一部分粒子將穿透勢壘到勢阱外，這種現(xiàn)象就稱為隧道效應。同樣在考慮粒子穿透勢阱的概率問題。也可以采用定性分析的方法。例如，粒子的質量、具有的能量、勢壘的高度、還有勢壘的厚度，它們與穿透概率之間可能的關系是什么。采用類比的方法引導學生進行定性分析，好比一個人要穿越一堵墻壁，如果墻的高度一定，那么彈跳能力好的人，肯定更容易翻墻而過。彈跳能力的好壞可以視為粒子具有的能量大小，因此可以很直觀理解，穿透概率和粒子能量的若干次方成正比關系，能量越大，越容易穿越。同樣可以舉墻壁高低、胖子瘦子翻墻等例子來定性探討微觀粒子的隧穿行為。

3 充分利用形象化教學

為了能夠讓學生直觀理解半導體物理與器件中各種抽象的物理概念、模型，需要采用形象化教學方法。一方面要利用現(xiàn)代多媒體教學手段，制作必要的課件來模擬物理模型以及相關的物理過程。同時要善于利用周圍的環(huán)境來幫助學生理解物理概念和模型。如教室里規(guī)則排列的座位和男女同學，在課程的教學中就非常有用：座位可以抽象成二維的晶體點陣，座位上全部坐男同學是一種情況，座位上全部坐女同學又是另一種情況，雖然物質構成不同了，但是點陣結構相同，很好地詮釋了晶體結構等于點陣加基元的概念。利用座位還可以討論晶向、原子線密度、晶列間距等概念。在討論電子，空穴導電機制的時候，把坐滿人的座位看著滿價帶，教室最前面一排空著的位置看成空帶，人的移動好比電子的移動，這樣很容易理解在外電場作用下，價帶、空帶以及導帶的導電行為，同時對于電子激發(fā)后產(chǎn)生的空穴及運動行為也提供了更為形象的認識。再比如，利用工科班級女生遠比男生少的特點，可以說明少數(shù)載流子（女生）和多數(shù)載流子（男生）的概念。假設班級有4個女生，40個男生，當有光照產(chǎn)生非平衡載流子時，例如產(chǎn)生5個女生和5個男生，顯然非平衡載流子對于少數(shù)載流子的影響要遠遠大于對多數(shù)載流子的影響，通過這種形象類比的方式，就能幫助學生很好地理解為什么非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子的原因。

4 堅持理論與應用相結合

學習半導體物理和器件就是為了在理論知識和實際應用之間架設一座橋梁。在教授理論知識的同時，一定要多舉一些應用的實例，這樣不僅有利于學生理解理論知識，還可以大大提升學生學習的動力，培養(yǎng)專業(yè)興趣。例如講完量子隧道效應后，其典型的應用實例就是掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明。通過對STM工作原理的分析，并制作動畫模擬其金屬針尖掃描樣品的表面和收集隧道電流的過程，激發(fā)學生的興趣。結合PN結空間電荷區(qū)的形成以及光生載流子的知識，講解太陽能電池的一般工作原理和設計思路，進而拓展到整個光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和當前形勢。在電子受激輻射的基礎上說明激光的產(chǎn)生和應用。結合能帶理論和載流子的產(chǎn)生與復合說明發(fā)光二極管（LED）的工作原理，以及LED照明工程的發(fā)展和進展。在學習晶體管工作原理的基礎上，讓學生進一步了解現(xiàn)代集成電路朝納電子方向發(fā)展所遇到的挑戰(zhàn)和發(fā)展軌跡[5-6]。通過理論和實踐應用的高度結合，可以讓學生不光看見樹木，還看見森林，理解學習半導體物理與器件是為了“學以致用”。

5 培養(yǎng)學生文獻調(diào)研的能力

教師課堂的授課只是傳播知識的一種途徑，而大學的教育更重要是要培養(yǎng)學生的自我學習能力。網(wǎng)絡是當今科技發(fā)展的重要產(chǎn)物，網(wǎng)絡上也充滿了各種各樣的豐富知識，培養(yǎng)學生通過網(wǎng)絡進行資料調(diào)研對于半導體物理與器件課程的學習大有裨益。在文獻調(diào)研的過程中，讓學生充分、及時地了解半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關動態(tài)，學會“精讀”和“略讀”文獻，在吸收文獻知識的基礎上，進一步條理化、規(guī)整化課堂所學的內(nèi)容，甚至有所創(chuàng)新。具體教學過程中，可以針對不同的知識點，安排學生課后進行相應的文獻調(diào)研和總結，并以PPT的形式做一個簡短的文獻匯報。讓學生與教師互換角色，加強互動，互相促進。

6 結語

《半導體物理與器件》課程的教學改革是順應半導體技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求，尤其對于工科的學生，更要了解物理問題是從哪里來的，并發(fā)展應用到什么地方。在教學的過程中，要避免盲目繁瑣的公式推導，避免單一的教學方式，通過引入物理學史、定性分析問題、形象化教學等教學手段促進學生學習的興趣，提高課程的教學質量。積極推動高等學校人才的培養(yǎng)和學科建設工作。

［1］施敏.半導體器件物理與工藝.2版[M].蘇州：蘇州大學出版社,2002.

［2］劉恩科,朱秉升,羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

［3］胡化凱.物理學史二十講[M].合肥：中國科學技術大學出版社,2009.

［4］徐克尊,陳向軍,陳宏芳.近代物理學[M].合肥：中國科學技術大學出版社,2008.

［5］Donald A.Neamen.半導體物理與器件[M].北京：清華大學出版社,2003.

［6］甘學溫,黃如,劉曉彥,張興.納米 CMOS 器件[M].北京：科學出版社,2004.