洪學(xué)鹍

（常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

0 前言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了設(shè)計(jì)—制造—封裝測(cè)試的完整產(chǎn)業(yè)鏈，其應(yīng)用覆蓋了電腦、汽車電子、激光器、太陽(yáng)能電池、光纖通訊、半導(dǎo)體照明及平板顯示等各個(gè)領(lǐng)域，年銷售額超過3000億美元，已然成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[1]。作為掌握半導(dǎo)體技術(shù)的一門先導(dǎo)性課程，半導(dǎo)體物理與器件課程旨在研究半導(dǎo)體材料和器件的基本性能和內(nèi)在機(jī)理，是研究集成電路工藝、設(shè)計(jì)及應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ)。該課程理論較為深?yuàn)W、知識(shí)點(diǎn)多、涉及范圍廣、理論推導(dǎo)復(fù)雜、學(xué)科性很強(qiáng)，對(duì)于學(xué)生的數(shù)學(xué)物理的基礎(chǔ)要求較高[2]。而現(xiàn)行的教材特點(diǎn)及傳統(tǒng)教學(xué)方式大都強(qiáng)調(diào)繁瑣的理論推導(dǎo)，容易使學(xué)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(xué)習(xí)興趣，影響了課程的教學(xué)質(zhì)量。因此迫切需要對(duì)這些問題與不足進(jìn)行改革，優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容。本文從注重物理學(xué)史的介紹、理論推導(dǎo)與定性分析相結(jié)合、利用形象化教學(xué)、注重理論和實(shí)踐相結(jié)合以及培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)能力五個(gè)方面，對(duì)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了若干思考，力求為學(xué)生呈現(xiàn)一個(gè)條理清晰、理論分析簡(jiǎn)練、物理圖像明確、多方互動(dòng)的教學(xué)過程，逐步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理與器件課程的興趣，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

1 加強(qiáng)半導(dǎo)體物理學(xué)史的介紹

物理學(xué)是研究物質(zhì)的組成及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。而物理學(xué)史是研究物理學(xué)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(xué)科，充分體現(xiàn)了人類認(rèn)識(shí)自然界由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由表面到本質(zhì)的認(rèn)知過程，其中包含了大量的方法論和認(rèn)識(shí)論，蘊(yùn)涵了豐富的科學(xué)素質(zhì)和人文精神。打個(gè)比方，在教學(xué)中講物理學(xué)理論，會(huì)給學(xué)生以知識(shí)，而講物理學(xué)史，則會(huì)給學(xué)生帶來智慧。牛頓說過：“如果說我比別人看得遠(yuǎn)一點(diǎn),那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟稀！敝奈锢韺W(xué)家朗之萬(wàn)也曾指出：“在科學(xué)教學(xué)中，加入歷史的觀點(diǎn)是有百利而無(wú)一弊的。”因此在半導(dǎo)體物理與器件的教學(xué)過程中，適當(dāng)穿插物理學(xué)史的內(nèi)容，把物理知識(shí)的來龍去脈作出歷史的敘述，不但能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生對(duì)半導(dǎo)體物理與器件知識(shí)點(diǎn)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(dǎo)體物理的理論基礎(chǔ)就是量子力學(xué)，而量子力學(xué)之所以出現(xiàn)就在于諸多經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。從黑體輻射引出了普朗克的輻射量子化假設(shè)、光電效應(yīng)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(cè)到原子模型的建立過程、再到德布羅意物質(zhì)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(xué)史的發(fā)展，就系統(tǒng)地串聯(lián)了課程的知識(shí)點(diǎn)；其次有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)?？茖W(xué)素養(yǎng)與知識(shí)相比是更深層次的東西，是對(duì)知識(shí)本質(zhì)的理解、內(nèi)化和激活，它包含科學(xué)知識(shí)、科學(xué)思想、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法。把知識(shí)教育的基本內(nèi)容同歷史發(fā)展過程結(jié)合起來，讓學(xué)生了解科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理概念、物理規(guī)律的歷史過程，循著科學(xué)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(xué)問題，學(xué)會(huì)運(yùn)用觀察和實(shí)驗(yàn)、類比和聯(lián)想、猜測(cè)和試探、分析和綜合、佯繆和反正、科學(xué)假設(shè)等科學(xué)方法來研究問題，使自身的科學(xué)素養(yǎng)得到提升[3-4]。

2 理論推導(dǎo)與定性分析相結(jié)合

半導(dǎo)體物理與器件課程最典型的特點(diǎn)就是公式多，理論推導(dǎo)復(fù)雜，通常要求學(xué)生具有較高的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)。但是如果一味地追求理論推導(dǎo)，則容易讓學(xué)生陷入困境，不知所措。例如在講解量子隧道效應(yīng)的時(shí)候，通常需要先求解一維無(wú)限高方勢(shì)阱中粒子的薛定諤方程，以獲得粒子在勢(shì)阱中的波函數(shù)分布，然后再求解一維有限高方勢(shì)阱粒子的波函數(shù)。這兩個(gè)步驟涉及了大量的理論計(jì)算，尤其是后者的計(jì)算更為復(fù)雜，完全推導(dǎo)完需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，也容易使學(xué)生感到反感。實(shí)際上，在求解獲得一維無(wú)限高方勢(shì)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(shì)阱中粒子的運(yùn)動(dòng)行為。在一維無(wú)限高方勢(shì)阱中，由于假設(shè)了邊界處勢(shì)壘能量是無(wú)窮大，因此波函數(shù)的導(dǎo)數(shù)在邊界處是不連續(xù)的。然而在有限高勢(shì)阱中，由于邊界處的勢(shì)能是有限值，因此不僅波函數(shù)在邊界處連續(xù)，其導(dǎo)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(shì)必延伸到勢(shì)阱外，亦即波函數(shù)在勢(shì)阱外也不為零，說明勢(shì)阱中的粒子有通過勢(shì)壘的可能性。按照經(jīng)典物理的理解，粒子將會(huì)百分之百被勢(shì)壘彈回，而不可能通過勢(shì)壘，但在量子力學(xué)中就完全不同了，一部分粒子將穿透勢(shì)壘到勢(shì)阱外，這種現(xiàn)象就稱為隧道效應(yīng)。同樣在考慮粒子穿透勢(shì)阱的概率問題。也可以采用定性分析的方法。例如，粒子的質(zhì)量、具有的能量、勢(shì)壘的高度、還有勢(shì)壘的厚度，它們與穿透概率之間可能的關(guān)系是什么。采用類比的方法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行定性分析，好比一個(gè)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(guān)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(xué)

為了能夠讓學(xué)生直觀理解半導(dǎo)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(xué)方法。一方面要利用現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段，制作必要的課件來模擬物理模型以及相關(guān)的物理過程。同時(shí)要善于利用周圍的環(huán)境來幫助學(xué)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(xué)，在課程的教學(xué)中就非常有用：座位可以抽象成二維的晶體點(diǎn)陣，座位上全部坐男同學(xué)是一種情況，座位上全部坐女同學(xué)又是另一種情況，雖然物質(zhì)構(gòu)成不同了，但是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同，很好地詮釋了晶體結(jié)構(gòu)等于點(diǎn)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(dǎo)電機(jī)制的時(shí)候，把坐滿人的座位看著滿價(jià)帶，教室最前面一排空著的位置看成空帶，人的移動(dòng)好比電子的移動(dòng)，這樣很容易理解在外電場(chǎng)作用下，價(jià)帶、空帶以及導(dǎo)帶的導(dǎo)電行為，同時(shí)對(duì)于電子激發(fā)后產(chǎn)生的空穴及運(yùn)動(dòng)行為也提供了更為形象的認(rèn)識(shí)。再比如，利用工科班級(jí)女生遠(yuǎn)比男生少的特點(diǎn)，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(shè)班級(jí)有4個(gè)女生，40個(gè)男生，當(dāng)有光照產(chǎn)生非平衡載流子時(shí)，例如產(chǎn)生5個(gè)女生和5個(gè)男生，顯然非平衡載流子對(duì)于少數(shù)載流子的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)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(xué)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(jiān)持理論與應(yīng)用相結(jié)合

學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理和器件就是為了在理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用之間架設(shè)一座橋梁。在教授理論知識(shí)的同時(shí)，一定要多舉一些應(yīng)用的實(shí)例，這樣不僅有利于學(xué)生理解理論知識(shí)，還可以大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，培養(yǎng)專業(yè)興趣。例如講完量子隧道效應(yīng)后，其典型的應(yīng)用實(shí)例就是掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明。通過對(duì)STM工作原理的分析，并制作動(dòng)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(xué)生的興趣。結(jié)合PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成以及光生載流子的知識(shí)，講解太陽(yáng)能電池的一般工作原理和設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而拓展到整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和當(dāng)前形勢(shì)。在電子受激輻射的基礎(chǔ)上說明激光的產(chǎn)生和應(yīng)用。結(jié)合能帶理論和載流子的產(chǎn)生與復(fù)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(jìn)展。在學(xué)習(xí)晶體管工作原理的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進(jìn)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(shí)踐應(yīng)用的高度結(jié)合，可以讓學(xué)生不光看見樹木，還看見森林，理解學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理與器件是為了“學(xué)以致用”。

5 培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研的能力

教師課堂的授課只是傳播知識(shí)的一種途徑，而大學(xué)的教育更重要是要培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力。網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今科技發(fā)展的重要產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)上也充滿了各種各樣的豐富知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資料調(diào)研對(duì)于半導(dǎo)體物理與器件課程的學(xué)習(xí)大有裨益。在文獻(xiàn)調(diào)研的過程中，讓學(xué)生充分、及時(shí)地了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)動(dòng)態(tài)，學(xué)會(huì)“精讀”和“略讀”文獻(xiàn)，在吸收文獻(xiàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步條理化、規(guī)整化課堂所學(xué)的內(nèi)容，甚至有所創(chuàng)新。具體教學(xué)過程中，可以針對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)，安排學(xué)生課后進(jìn)行相應(yīng)的文獻(xiàn)調(diào)研和總結(jié)，并以PPT的形式做一個(gè)簡(jiǎn)短的文獻(xiàn)匯報(bào)。讓學(xué)生與教師互換角色，加強(qiáng)互動(dòng)，互相促進(jìn)。

6 結(jié)語(yǔ)

《半導(dǎo)體物理與器件》課程的教學(xué)改革是順應(yīng)半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求，尤其對(duì)于工科的學(xué)生，更要了解物理問題是從哪里來的，并發(fā)展應(yīng)用到什么地方。在教學(xué)的過程中，要避免盲目繁瑣的公式推導(dǎo)，避免單一的教學(xué)方式，通過引入物理學(xué)史、定性分析問題、形象化教學(xué)等教學(xué)手段促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。積極推動(dòng)高等學(xué)校人才的培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)工作。

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

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

［3］胡化凱.物理學(xué)史二十講[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009.

［4］徐克尊,陳向軍,陳宏芳.近代物理學(xué)[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008.

［5］Donald A.Neamen.半導(dǎo)體物理與器件[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.

［6］甘學(xué)溫,黃如,劉曉彥,張興.納米 CMOS 器件[M].北京：科學(xué)出版社,2004.