崔昊楊（上海電力學院電子與信息工程學院，上海200000）

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科研項目驅動式教學方法在《半導體器件基礎》課程教學中的應用

崔昊楊
（上海電力學院電子與信息工程學院，上海200000）

摘要：半導體器件的發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)的弱電專業(yè)半導體器件課程教學存在知識系統(tǒng)更新慢、理論推導繁縟、教學方式僵化等問題，導致學生學習興趣不高，對半導體器件前沿領域關注不夠，制約了半導體器件課程的實際教學效果。針對這一問題，本文探討了將科研思維貫穿在《半導體器件基礎》課程中的教學方法，將最新的科研動態(tài)和學科科研思維融合到課程的教學中，引導學生自主學習，并實現(xiàn)教師教、學相長的目的。該教學方法的實踐表明，學生的學習興趣、學習意識、學習主動性提高，教學效果得到明顯提升。

關鍵詞：科研思維；半導體器件；教學方法

Abstract:The development of semiconductor devices is changing with each passing day. The traditional teaching method of semiconductor device courses has the problems of slow updated knowledge system, complicated theory and rigid teaching method, which dampens students' interest in the front area of semiconductor devices, and thus influences the actual teaching effect of the course of semiconductor devices. To solve this problem, this paper discussed the application of scientific research thinking teaching method in "semiconductor device" course. The integration of the latest research developments and scientific thinking into the teaching course helps to guide students to self-study and to realize the purpose of teachers' teaching and learning. The practice of this teaching method shows that improvement of students' learning interest, learning consciousness and learning initiative has a positive and obvious impact on the teaching effect.

Keywords:scientific research thinking; semiconductor devices; teaching method

引言

2015年3月我國政府發(fā)布了“中國制造2025”[1]，半導體領域成為重中之重。中國每年的半導體組件進口金額已經(jīng)超過原油，工業(yè)產(chǎn)品核心的半導體自給率僅為20%左右。一邊是國內(nèi)半導體行業(yè)的迅猛發(fā)展，一邊是國內(nèi)半導體行業(yè)人才的匱乏，特別是中高級科研人員尤其短缺。科學技術是第一生產(chǎn)力，人才是第一資源，培養(yǎng)半導體器件領域的中高級人才已成為現(xiàn)代大學電子科學與技術專業(yè)面臨的緊迫任務。然而，傳統(tǒng)的半導體器件課程教學中普遍存在知識系統(tǒng)陳舊、理論推導繁縟、理論與實踐關聯(lián)程度弱等問題，這在很大程度上影響了半導體器件課程的實際教學效果，學生的學習興趣不高，學習效果不理想。半導體器件是一門發(fā)展極為迅速的學科，新理論、新材料、新技術的更新速度快，半導體器件和半導體芯片的種類、質量與性能的發(fā)展更是日新月異。但目前的課程教學內(nèi)容與半導體器件領域的科學技術發(fā)展水平不匹配，學生很難把握半導體器件領域的發(fā)展動態(tài)和前沿方向。傳統(tǒng)的教學方法、教學模式和教學理念雖在過去的幾年間取得當初設定的目標，但已不適應當今國內(nèi)對半導體器件領域人才培養(yǎng)的要求。

隨著大批高層次人才的引入，國內(nèi)半導體器件領域的科學研究水平日益提高，涌現(xiàn)出了大量的科技成果，相關領域的研究水平與國外差距日趨減小，部分科研成果甚至領先于世界水平。如何將較新的半導體器件研究理論、技術方法以及科研人員科技成果引入到半導體器件物理日常教學中，與半導體器件教學內(nèi)容有機融合，成為本領域人才培養(yǎng)的難點。積極主動的科研思維引入到日常教學，不僅能夠提高學生學習的主動性，提高學生了解半導體器件領域內(nèi)發(fā)展水平的機會，為后繼課程奠定基礎[2]，更能夠鍛煉教師的科學研究理性思維，達到教學相長的目的。在這樣的背景下，本文探索和實踐了融合科學研究思維的半導體器件基礎課程的教學方法，通過連續(xù)幾年的半導體器件基礎課程教學過程跟蹤和效果分析，表明該方法能夠有效提高學生的學習興趣、學習意識和學習主動性，教學效果得到明顯提升。

一、教學內(nèi)容選擇

針對我校電子科學與技術專業(yè)的特點，我們選擇了蘇州大學出版社出版的《半導體器件物理與工藝》教材，該書作者是本領域的知名專家施敏教授。教材的難度和教學內(nèi)容均符合電子科學與技術專業(yè)的教學大綱要求，教學內(nèi)容涵蓋pn結、雙極型晶體管、MOS場效應晶體管和MES場效應晶體管等四個部分的內(nèi)容。考慮到近幾年半導體器件的科技發(fā)展水平，教研組對課程內(nèi)容進行了適當?shù)恼{(diào)整。在《半導體器件基礎》課程前期，本專業(yè)已經(jīng)開設了《半導體物理》課程，具體學習了半導體晶體結構、導電性和非平衡載流子等概念，學生在半導體領域已經(jīng)具備了一定的學習基礎。盡管如此，為與半導體物理課程形成良好的銜接，本課程的教學中首先還是利用了2個課時總體回顧了半導體物理的基礎知識，特別是與半導體器件相關的半導體摻雜、能帶、非平衡載流子等知識點。在此基礎上，利用1個課時的時間介紹了基本的半導體器件的種類及其工作原理與半導體物理理論的關系。通過與前期課程的有效銜接，為學生梳理了半導體物理、半導體器件基礎的知識體系結構間的關聯(lián)性。

在《半導體器件基礎》教學內(nèi)容方面，在把握課程知識體系結構基礎上，補充了常見器件的發(fā)展水平和新理論和新技術方面的綜述。在pn結器件章節(jié)，在重點講解pn結的工作原理的基礎上，適當擴充LED器件、光伏型太陽能電池和光電檢測探測器的基本知識和當今發(fā)展水平介紹，新增教學內(nèi)容使該章節(jié)的理論課時增加了3個課時。對于pn結器件的制備工藝和流程，考慮到后繼的集成電路工藝原理課程會重點介紹，因此，在本課程中只進行粗略介紹，節(jié)省1課時的教學工作量；在MOSFET章節(jié)中，結合前期講解的雙極型晶體管知識，介紹了當今電力電子領域的熱點研究器件——絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及IGBT模塊的基本原理、應用領域及發(fā)展水平；在MSFET章節(jié)中，重點講解金屬/半導體接觸二極管，通過肖特基接觸的電學特性仿真，以及肖特基接觸與pn結共存器件的光電特性仿真，以此說明金屬/半導體接觸對半導體器件性能的影響作用。

二、教學方法實踐

半導體器件是集成電路設計過程中的核心部件，對半導體器件的工作原理、性能、參數(shù)的深入理解有助于提升學生對于半導體器件的實際應用能力，以科學研究任務帶動學生自主學習能夠有效提升學生創(chuàng)新積極性。為此，在《半導體器件基礎》課程的日常教學中，提出了融合科研思維的教學方法[3]。其核心思想是在教學過程中，增加了課堂互動、學生課后文獻綜述、模型創(chuàng)建、理論仿真、論文撰寫等環(huán)節(jié)，深入了解器件的原理以及半導體器件領域的科學研究方法。該方法的具體實施方式是：通過教師在個別章節(jié)講解過程中，引出自身在開展相關器件科研中遇到的問題，開展課堂和課后討論，將學生分組后讓學生團隊課后調(diào)研相關問題的國內(nèi)外進展綜述，利用已學的半導體器件基礎知識建立理論模型，開展理論仿真和計算，解決這些問題，并以科技論文的方式遞交報告，教師通過學生團隊提交的論文情況與學生再進行更深層次的討論，分析模型和仿真計算中出現(xiàn)的問題或可取之處，通過上述環(huán)節(jié)達到教、學相長的目的。

例如，在金屬/半導體接觸器件章節(jié)，我們首先在課堂上介紹了金屬/半導體接觸可能形成的兩種接觸類型，即歐姆接觸和肖特基勢壘。強調(diào)了金屬/半導體接觸在半導體器件制備過程中的廣泛性和肖特基勢壘的整流特性，推導了肖特基勢壘的電流——電壓特性公式。在此基礎上，拋出了教師科研中遇到的肖特基勢壘對pn結二極管性能的影響的問題。將學生分成4人一組的研究團隊，要求他們在1個星期內(nèi)完成相關方面的科研課題，啟發(fā)他們從肖特基勢壘對pn結光電探測器的電學特性、光電特性兩個方面的影響開展研究，對于電學特性影響研究引導學生pn結與肖特基勢壘共存器件等效電路模型的構建，由于肖特基勢壘的整流特性，將在一定程度影響pn結的電流電壓特性，在此基礎上開展了電學I-V特性的仿真分析；在影響光電特性方面，將器件在瞬態(tài)光照條件出現(xiàn)的異常光伏特性實驗數(shù)據(jù)分發(fā)給學生，并引導學生關注光伏信號呈現(xiàn)的光伏谷、光伏峰共存的異常現(xiàn)象，讓學生從pn結光伏和肖特基勢壘光伏組合的模型對上述異?，F(xiàn)象作出解釋，并進行理論仿真驗證，闡明肖特基勢壘光伏對pn結光伏的抑制效應。上述任務分發(fā)后，學生開始有目的的利用各種網(wǎng)絡、圖書館、科技文獻資源查找資料、收集資料，同組學生進行了深入討論，團隊成員在一個星期時間內(nèi)分工明確，互相配合，開展相關理論及仿真的研究，并按照科技論文規(guī)范共同撰寫科技論文。在科技論文提交后，教師對論文進行了點評，學生在同教師的點評和互動過程中，對原有知識點的理解更為深入，并能夠初步解決實際的問題，同時，通過科研訓練能夠激發(fā)學生的創(chuàng)造精神，通過對科研活動的親身體驗，使學生感受到所學知識的重要性，增強了他們學習的信心。

三、教學效果分析

科研項目驅動式教學方法從2011級電子科學與技術專業(yè)的半導體器件基礎課程學習開始執(zhí)行，通過幾年的實施和教性和能動性得到了很大的提高，在相同的考試難度下，學生的期末成績優(yōu)良比例逐年呈增長趨勢，2011級至2013級學生的優(yōu)良比例從20%增長到47%，不及格率從25%大幅下降到4.9%。上述指標說明該方法對于提升學生的學習效果起到了較好的作用。此外，從采用該教學方法高年級學生的課程反饋效果也表明，《半導體器件基礎》課程的學習主動性和學習興趣得以提高，對器件工作原理的理解更為深入，為后續(xù)的專業(yè)課程學習奠定了很好的基礎。特別是通過該教學方法的訓練，學生初步了解了科學研究的思路，破除了科研活動的神秘感，增加了學生開展科學研究的興趣和信心。

四、結束語

半導體器件的科學、技術和產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展對半導體領域的高端人才需求日趨強烈?！栋雽w器件》課程的傳統(tǒng)教學方法已難以適應現(xiàn)實的需求，對普通高等學校開設的《半導體器件》課程的教學進行改革勢在必行。本文對科研項目驅動的教學方法進行了討論，闡述了科研項目驅動法的核心思維、實施方法、效果分析。將部分科研項目問題分解到課程的實際教學過程中，鼓勵學生自主開展科學研究，并對學生提交的科技論文進行點評，達到教學相長的目的。實踐表明該教學方法可激發(fā)學生的學習主動性，增強學生的創(chuàng)新意識。學生的考試成績的跟蹤分析和高年級學生反饋效果分析，也表明該方法收到了良好的教學效果。后期，我們將繼續(xù)對該教學方法進行優(yōu)化，進一步體現(xiàn)科研項目任務驅動的特色，進一步提高課程學習效果，為學生學習后續(xù)專業(yè)課程或今后從事電子和材料相關工作奠定良好的基礎。

參考文獻

[1]周海銀.高等教育如何適應“中國制造2025”[J].山東師范大學學報，2015，60（4）：119-124.

[2]張永華，楊平雄，高婉麗.“半導體器件原理”課程建設的研究[J].電氣電子教學學報，2009，31（4）：26-27.

[3]徐躍.融入研究性學習思想的半導體物理教學改革與實踐[J].科技創(chuàng)新導報，2014，35：141-142.

作者簡介：崔昊楊（1978-），男，吉林四平人，博士，教授，碩士生導師，上海電力學院電子與信息工程學院副院長，主講半導體物理，半導體器件基礎等課程，目前的主要研究方向為半導體器件的光電特性。

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）06-0093-02