《半导体物理与器件》课程教学改革的若干思考

【摘 要】《半导体物理与器件》课程是电子科学技术专业的一门核心课程，是半导体物理与半导体产业之间连接的桥梁。本文针对课程知识点多、理论推导过程复杂等特点，阐述了加强物理学史的介绍、理论推导与定性分析相结合、充分利用形象化教学、理论和实践相结合以及培养学生文献查阅能力五个方面对课程教学改革的重要意义，充分激发学生的学习兴趣，提升课程的教学效果。

【关键词】半导体物理与器件课程；物理学史；定性分析；形象化教学

0 前言

随着半导体技术和集成电路的飞速发展，现代半导体产业已经形成了设计—制造—封装测试的完整产业链，其应用覆盖了电脑、汽车电子、激光器、太阳能电池、光纤通讯、半导体照明及平板显示等各个领域，年销售额超过3000亿美元，已然成为国民经济发展中的重要战略产业[1]。作为掌握半导体技术的一门先导性课程，半导体物理与器件课程旨在研究半导体材料和器件的基本性能和内在机理，是研究集成电路工艺、设计及应用的重要理论基础。该课程理论较为深奥、知识点多、涉及范围广、理论推导复杂、学科性很强，对于学生的数学物理的基础要求较高[2]。而现行的教材特点及传统教学方式大都强调繁琐的理论推导，容易使学生陷入“只见树木，不见森林”的境地，在茫茫的公式海洋中逐步丧失学习兴趣，影响了课程的教学质量。因此迫切需要对这些问题与不足进行改革，优化和整合教学内容。本文从注重物理学史的介绍、理论推导与定性分析相结合、利用形象化教学、注重理论和实践相结合以及培养学生查阅文献能力五个方面，对课程的教学改革进行了若干思考，力求为学生呈现一个条理清晰、理论分析简练、物理图像明确、多方互动的教学过程，逐步培养学生学习半导体物理与器件课程的兴趣，促进教学质量的提高。

1 加强半导体物理学史的介绍

物理学是研究物质的组成及其运动规律的基础科学，是自然科学的基础。而物理学史是研究物理学概念、定律和定理的起源、发展、变化，揭示其发生、发展的原因和规律的一门学科，充分体现了人类认识自然界由简单到复杂、由表面到本质的认知过程，其中包含了大量的方法论和认识论，蕴涵了丰富的科学素质和人文精神。打个比方，在教学中讲物理学理论，会给学生以知识，而讲物理学史，则会给学生带来智慧。牛顿说过：“如果说我比别人看得远一点，那是因为我站在巨人的肩上。”著名的物理学家朗之万也曾指出：“在科学教学中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。”因此在半导体物理与器件的教学过程中，适当穿插物理学史的内容，把物理知识的来龙去脉作出历史的叙述，不但能激发学生学习兴趣、活跃课堂气氛，而且还具有以下两方面的作用：首先有助于学生对半导体物理与器件知识点的系统化。记忆一段充满探索者思索与创造、艰辛与执着、悲欢与激情的历史肯定要比一堆单纯、枯燥的公式容易多了。例如，半导体物理的理论基础就是量子力学，而量子力学之所以出现就在于诸多经典物理学无法解释的实验现象。从黑体辐射引出了普朗克的辐射量子化假设、光电效应引出了爱因斯坦的电磁波能量量子化、分立原子光谱的观测到原子模型的建立过程、再到德布罗意物质波理论、薛定谔方程的建立和求解以及能带理论的建立等等，了解了物理学史的发展，就系统地串联了课程的知识点；其次有助于培养学生的科学素养。科学素养与知识相比是更深层次的东西，是对知识本质的理解、内化和激活，它包含科学知识、科学思想、科学态度和科学方法。把知识教育的基本内容同历史发展过程结合起来，让学生了解科学家发现物理概念、物理规律的历史过程，循着科学家的思维方法和探索途径来“发现”物理概念和规律，敢于持怀疑、辩证的态度来看待科学问题，学会运用观察和实验、类比和联想、猜测和试探、分析和综合、佯缪和反正、科学假设等科学方法来研究问题，使自身的科学素养得到提升[3-4]。

2 理论推导与定性分析相结合

半导体物理与器件课程最典型的特点就是公式多，理论推导复杂，通常要求学生具有较高的数学物理基础。但是如果一味地追求理论推导，则容易让学生陷入困境，不知所措。例如在讲解量子隧道效应的时候，通常需要先求解一维无限高方势阱中粒子的薛定谔方程，以获得粒子在势阱中的波函数分布，然后再求解一维有限高方势阱粒子的波函数。这两个步骤涉及了大量的理论计算，尤其是后者的计算更为复杂，完全推导完需要耗费大量的时间和精力，也容易使学生感到反感。实际上，在求解获得一维无限高方势阱中粒子的波函数之后，就可以采用定性的方法去分析有限高势阱中粒子的运动行为。在一维无限高方势阱中，由于假设了边界处势垒能量是无穷大，因此波函数的导数在边界处是不连续的。然而在有限高势阱中，由于边界处的势能是有限值，因此不仅波函数在边界处连续，其导数在边界处也必须连续。可以想象，其波函数在边界处一定是渐变的，势必延伸到势阱外，亦即波函数在势阱外也不为零，说明势阱中的粒子有通过势垒的可能性。按照经典物理的理解，粒子将会百分之百被势垒弹回，而不可能通过势垒，但在量子力学中就完全不同了，一部分粒子将穿透势垒到势阱外，这种现象就称为隧道效应。同样在考虑粒子穿透势阱的概率问题。也可以采用定性分析的方法。例如，粒子的质量、具有的能量、势垒的高度、还有势垒的厚度，它们与穿透概率之间可能的关系是什么。采用类比的方法引导学生进行定性分析，好比一个人要穿越一堵墙壁，如果墙的高度一定，那么弹跳能力好的人，肯定更容易翻墙而过。弹跳能力的好坏可以视为粒子具有的能量大小，因此可以很直观理解，穿透概率和粒子能量的若干次方成正比关系，能量越大，越容易穿越。同样可以举墙壁高低、胖子瘦子翻墙等例子来定性探讨微观粒子的隧穿行为。

3 充分利用形象化教学

为了能够让学生直观理解半导体物理与器件中各种抽象的物理概念、模型，需要采用形象化教学方法。一方面要利用现代多媒体教学手段，制作必要的课件来模拟物理模型以及相关的物理过程。同时要善于利用周围的环境来帮助学生理解物理概念和模型。如教室里规则排列的座位和男女同学，在课程的教学中就非常有用：座位可以抽象成二维的晶体点阵，座位上全部坐男同学是一种情况，座位上全部坐女同学又是另一种情况，虽然物质构成不同了，但是点阵结构相同，很好地诠释了晶体结构等于点阵加基元的概念。利用座位还可以讨论晶向、原子线密度、晶列间距等概念。在讨论电子，空穴导电机制的时候，把坐满人的座位看着满价带，教室最前面一排空着的位置看成空带，人的移动好比电子的移动，这样很容易理解在外电场作用下，价带、空带以及导带的导电行为，同时对于电子激发后产生的空穴及运动行为也提供了更为形象的认识。再比如，利用工科班级女生远比男生少的特点，可以说明少数载流子（女生）和多数载流子（男生）的概念。假设班级有4个女生，40个男生，当有光照产生非平衡载流子时，例如产生5个女生和5个男生，显然非平衡载流子对于少数载流子的影响要远远大于对多数载流子的影响，通过这种形象类比的方式，就能帮助学生很好地理解为什么非平衡载流子都是指非平衡少数载流子的原因。

4 坚持理论与应用相结合

学习半导体物理和器件就是为了在理论知识和实际应用之间架设一座桥梁。在教授理论知识的同时，一定要多举一些应用的实例，这样不仅有利于学生理解理论知识，还可以大大提升学生学习的动力，培养专业兴趣。例如讲完量子隧道效应后，其典型的应用实例就是扫描隧道显微镜（STM）的发明。通过对STM工作原理的分析，并制作动画模拟其金属针尖扫描样品的表面和收集隧道电流的过程，激发学生的兴趣。结合PN结空间电荷区的形成以及光生载流子的知识，讲解太阳能电池的一般工作原理和设计思路，进而拓展到整个光伏产业的发展和当前形势。在电子受激辐射的基础上说明激光的产生和应用。结合能带理论和载流子的产生与复合说明发光二极管（LED）的工作原理，以及LED照明工程的发展和进展。在学习晶体管工作原理的基础上，让学生进一步了解现代集成电路朝纳电子方向发展所遇到的挑战和发展轨迹[5-6]。通过理论和实践应用的高度结合，可以让学生不光看见树木，还看见森林，理解学习半导体物理与器件是为了“学以致用”。

5 培养学生文献调研的能力

教师课堂的授课只是传播知识的一种途径，而大学的教育更重要是要培养学生的自我学习能力。网络是当今科技发展的重要产物，网络上也充满了各种各样的丰富知识，培养学生通过网络进行资料调研对于半导体物理与器件课程的学习大有裨益。在文献调研的过程中，让学生充分、及时地了解半导体产业发展的相关动态，学会“精读”和“略读”文献，在吸收文献知识的基础上，进一步条理化、规整化课堂所学的内容，甚至有所创新。具体教学过程中，可以针对不同的知识点，安排学生课后进行相应的文献调研和总结，并以PPT的形式做一个简短的文献汇报。让学生与教师互换角色，加强互动，互相促进。

6 结语

《半导体物理与器件》课程的教学改革是顺应半导体技术和产业发展的必然要求，尤其对于工科的学生，更要了解物理问题是从哪里来的，并发展应用到什么地方。在教学的过程中，要避免盲目繁琐的公式推导，避免单一的教学方式，通过引入物理学史、定性分析问题、形象化教学等教学手段促进学生学习的兴趣，提高课程的教学质量。积极推动高等学校人才的培养和学科建设工作。

【参考文献】

[1]施敏.半导体器件物理与工艺.2版[M].苏州：苏州大学出版社，2002.

[2]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，2008.

[3]胡化凯.物理学史二十讲[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

[4]徐克尊，陈向军，陈宏芳.近代物理学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2008.

[5]Donald A.Neamen.半导体物理与器件[M].北京：清华大学出版社，2003.

[6]甘学温，黄如，刘晓彦，张兴.纳米CMOS器件[M].北京：科学出版社，2004.

[责任编辑：王迎迎]

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