“半導(dǎo)體器件物理”課程教學(xué)的思考與探索

游 龍

（華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院&武漢脈沖強磁場中心 湖北 武漢 430074）

現(xiàn)代工業(yè)朝著智能化和小型化的方向發(fā)展，其中信號的感知、采集、處理與存儲都離不開集成電路芯片技術(shù)。芯片的性能直接決定著智能系統(tǒng)的性能和小型化的程度。在芯片領(lǐng)域，現(xiàn)階段我國迫切需要解決“卡脖子”的問題，主要體現(xiàn)在兩大方面：芯片制造和芯片設(shè)計。在芯片制造方面，怎樣制造出高性能的半導(dǎo)體器件是其中的關(guān)鍵問題之一；在芯片設(shè)計方面，集成電路設(shè)計時需要調(diào)用各種半導(dǎo)體器件的特性，因此對器件性能進行理解并表征也是其中的重要問題之一。上述兩個問題都涉及“半導(dǎo)體器件物理”課程的教學(xué)內(nèi)容。因此，該門課程的教學(xué)，特別是課堂教學(xué)就顯得至關(guān)重要。

近年來，對“半導(dǎo)體器件物理”課程的教學(xué)，已有論文在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、人才培養(yǎng)和思政教育等諸多方面進行了非常有價值的分析與探索，并提出了教學(xué)改革思路和方法[1-4]。筆者結(jié)合多年來的教學(xué)和科研經(jīng)驗，總結(jié)出“半導(dǎo)體器件物理”課程的教學(xué)方法和思路：一方面通過合適的教學(xué)技巧降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度；另一方面應(yīng)該著重培養(yǎng)學(xué)生對半導(dǎo)體器件設(shè)計的創(chuàng)新能力，以及對器件性能的理解和表征能力。

本文對應(yīng)上述教學(xué)方法和思路，提出四點淺見：第一，在講解過程中，盡量結(jié)合日常生活進行形象化講解，來降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度；第二，在講解半導(dǎo)體器件物理知識時，注重體現(xiàn)器件的改進和發(fā)明，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；第三，在講解半導(dǎo)體器件時，注重器件特性的表征，以培養(yǎng)學(xué)生將器件應(yīng)用于集成電路設(shè)計的能力；第四，在講解過程中，引入思政元素，注重對學(xué)生的人生觀和價值觀的引導(dǎo)?，F(xiàn)具體分析如下。

1 形象化講解

在學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體器件物理”課程的過程中，學(xué)生普遍反映許多知識點很抽象、難以理解，數(shù)學(xué)公式多且繁雜，因此課程難學(xué)。采用結(jié)合日常生活進行形象化講解的方法可以降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。下面以講解自由電子濃度的計算和NPN 雙極型晶體管的工作原理為例來進行具體的闡述。

講解電子濃度時會涉及費米能級、狀態(tài)密度、費米-狄拉克分布這三個概念以及它們的運用。通常講解是這樣的：根據(jù)能帶理論，能帶可以分為導(dǎo)帶、禁帶和價帶，半導(dǎo)體中的費米能級處于能帶中的某一位置，電子在能帶中的分布服從費米-狄拉克分布，把費米-狄拉克分布和導(dǎo)帶中電子的狀態(tài)密度進行積分，求得電子濃度。形象化的講解如下：

①能帶理論。在半導(dǎo)體中，電子被共價鍵所束縛不能參與導(dǎo)電（對應(yīng)于電子處于價帶），電子獲得能量掙脫共價鍵的束縛（對應(yīng)于電子獲得大于禁帶寬度的能量后跨越禁帶），成為能夠?qū)щ姷淖杂呻娮樱▽?yīng)于電子處于導(dǎo)帶）。

②費米能級。在日常生活中，我們可以確定某個物體的位置，而在電子的世界里，無法確定某個電子的位置，只能確定在某個位置發(fā)現(xiàn)電子的概率。在絕對零度時，低于費米能級，發(fā)現(xiàn)電子的概率為1，高于費米能級，發(fā)現(xiàn)電子的概率為0。并且這種概率與溫度有關(guān)，用費米-狄拉克函數(shù)表示。

③狀態(tài)密度。比如，上課后，如果要計算學(xué)生的數(shù)量（電子濃度），可以認(rèn)為教室外（費米能級以上）發(fā)現(xiàn)學(xué)生的概率為0，教室內(nèi)（費米能級以下）發(fā)現(xiàn)學(xué)生（電子）的概率為1，在教室內(nèi)，并不是處處都有座位，過道上是沒有座位的，只有座位上才能坐學(xué)生，這種座位的密度就對應(yīng)著學(xué)生（電子）的狀態(tài)密度。只有導(dǎo)帶才能容納自由電子，導(dǎo)帶里面座位的密度就是電子的狀態(tài)密度。因此，需要把費米-狄拉克函數(shù)與電子的狀態(tài)密度進行積分，才能得到自由電子的濃度。

講解NPN 雙極型晶體管的放大原理時會涉及發(fā)射結(jié)和極電結(jié)之間的偏置問題，只有當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏、極電結(jié)反偏時，晶體管才會工作在放大狀態(tài)。筆者講解通常是這樣的：在基極和發(fā)射極之間加正向電壓，電子由發(fā)射區(qū)流向基區(qū)，流至基區(qū)的電子中的一部分與基區(qū)的空穴復(fù)合形成基極電流，然后在集電極和基極之間加正向電壓，讓流至基區(qū)的電子中的另一部分被集電區(qū)收集，形成集電極電流，集電極電流比基極電流大很多，因此晶體管具有電流放大作用?？捎谩吧虉隼么黉N作為噱頭吸引顧客到商場購物”來進行形象化的講解：

馬路（發(fā)射區(qū)）上有很多行人（自由電子），路邊有個商場，商場門口搭了一個小的促銷臺（基區(qū)）在做活動，行人被小促銷臺所吸引，到了商場門口。行人中的少部分駐足促銷臺前參加促銷活動（基極電流），大部分順著商場入口進入商場內(nèi)部（集電區(qū)）購物（集電極電流），進入商場內(nèi)部購物的人（集電極電流）比參加促銷活動的人（基極電流）多得多。

如上所述，用日常生活中能夠遇到的情形來解釋，可以把深奧難懂、晦澀抽象的“半導(dǎo)體器件物理”中的知識點講解得讓學(xué)生易于理解和接受。

2 采用體現(xiàn)改進和發(fā)明的思路

各種半導(dǎo)體器件的相同點體現(xiàn)在它們的工作原理都可以用能帶理論進行解釋。在對它們進行講解時，除了解釋工作原理之外，應(yīng)該著重于講解它們的不同點，而這些不同的半導(dǎo)體器件相關(guān)的知識點看起來比較零散，可采用體現(xiàn)改進和發(fā)明的思路來進行講解。下面以講解晶體管的發(fā)展為例來進行具體的闡述。

現(xiàn)階段比較成熟的、在工業(yè)界得以應(yīng)用的半導(dǎo)體器件都是前人發(fā)現(xiàn)、反復(fù)試驗并不斷改進之后，才得到認(rèn)可和普遍應(yīng)用的。因此，在講解的過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生一起，體會發(fā)現(xiàn)和改進的樂趣。晶體管由雙極型晶體管，發(fā)展到場效應(yīng)晶體管，是因為后者功耗更低、更易于集成。隨著集成電路發(fā)展過程中對低功耗和集成度要求的提高，傳統(tǒng)的平面型場效應(yīng)晶體管發(fā)展到了鰭式場效應(yīng)晶體管和圍柵晶體管。上述晶體管已經(jīng)在業(yè)界得到了應(yīng)用，它們發(fā)展的總體思路是增強柵控能力來提高晶體管的開關(guān)速度和改善關(guān)斷溝通電流的能力。為了進一步提高晶體管的開關(guān)速度，突破上述場效應(yīng)晶體管亞閾值擺幅的限制，科研工作者又提出了基于隧道效應(yīng)的隧穿型晶體管和負(fù)電容的鐵電晶體管，作為新一代晶體管的候選者。

如上所述，在講解過程中，對半導(dǎo)體器件的發(fā)展體現(xiàn)改進和發(fā)明，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。除此之外，為了讓學(xué)生知曉國際上先進的半導(dǎo)體器件及其發(fā)展趨勢，可以布置專業(yè)外文文獻的閱讀，這樣有利于學(xué)生進一步從事相關(guān)的科研工作。

3 注重器件特性的表征

在應(yīng)用上，半導(dǎo)體器件是集成電路與系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是為其服務(wù)的。因此，在講解半導(dǎo)體器件物理知識時，不僅要在物理層面讓學(xué)生易于接受，而且對于器件的外部特性的表征也要加以強調(diào)。因為在集成電路設(shè)計過程中，需要調(diào)用對應(yīng)的半導(dǎo)體器件特性，主要是電流電壓特性和電容電壓特性，還有器件的穩(wěn)定性和噪聲特性等。例如，在講解場效應(yīng)晶體管時，需要對其閾值電壓參數(shù)、遷移率參數(shù)和電容參數(shù)進行講解。在講解相應(yīng)的公式之后，可以搭配畫一些相應(yīng)的圖來表征晶體管的特性。圖形可以讓學(xué)生對晶體管的特性形成直觀的認(rèn)識。還可以給學(xué)生布置一些簡單的集成電路SPICE仿真練習(xí)，讓學(xué)生了解晶體管的特性對電路性能的影響。這種結(jié)合集成電路設(shè)計的講解不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以提高學(xué)生的工程實踐能力。

4 引入思政元素，立德樹人

在課程的講解過程中，引入思政元素，適時介紹我國老一輩半導(dǎo)體科學(xué)家科技報國的事跡和家國情懷，弘揚他們的優(yōu)秀品質(zhì)，有利于幫助學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀。每個人的命運都與國家和時代的命運緊密相連，回顧“中興”及“華為”事件，以及2022 年美國國會通過的《2022芯片和科學(xué)法案》，并分析現(xiàn)階段我國面臨的復(fù)雜國際形勢、在半導(dǎo)體器件和電路領(lǐng)域與國外的現(xiàn)實差距，及受到在這方面發(fā)展較早的國外的技術(shù)封鎖，喚起學(xué)生的愛國情懷和憂患意識，喚起新一代青年學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)、扎實科研和奮發(fā)圖強，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性，在自己的專業(yè)領(lǐng)域能跟蹤國際先進技術(shù)并能做到全球頂尖，為國家、為民族服務(wù)，為解決國家面臨的困境出力，做出自己的貢獻。因此，教師在課程的講解過程中，引入思政元素是非常有必要的。我國老一輩的半導(dǎo)體科學(xué)家，例如黃昆、謝希德在中華人民共和國成立初期，國家一窮二白的時候，毅然回國，投身祖國的半導(dǎo)體專業(yè)建設(shè)，為祖國培養(yǎng)了大批半導(dǎo)體人才。科學(xué)家的精神不僅能激發(fā)學(xué)生科技報國的理想，同時也進一步激勵了教師為國家培養(yǎng)人才的信念和決心。

5 結(jié)語

在“半導(dǎo)體器件物理”課程教學(xué)的過程中，教師可以運用日常生活中的對比來形象地解釋半導(dǎo)體器件的工作原理，以幫助學(xué)生對一些比較抽象和晦澀的基本概念進行理解。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對半導(dǎo)體器件設(shè)計的創(chuàng)新意識，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對半導(dǎo)體器件特性的表征以及在集成電路中的工程應(yīng)用理解能力。同時，在講課時，加入思政元素，適時介紹老一輩半導(dǎo)體科學(xué)家科技報國的事跡，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀。