产学研结合背景下的半导体物理教学改革

陈显平，陶璐琪 

重庆大学（光电工程学院） 重庆（市）400000

[摘  要]随着半导体行业的迅速发展，对相关人才的培养提出了更高的要求。在我校教改项目的支持下，拟对我校《半导体物理》课程进行一系列教学改革，此次改革侧重于培养学生的动手能力以及创新思维。通过产业、教学、研究相结合的方式，追踪行业发展前沿，采用探讨式教学方式，较为有效的提高了学生的积极性及教学质量。

[关键词]半导体物理；产-学-研结合；仿真；工程导向

[基金项目]2019年度，重庆大学“基于STEM教育理念的《半导体物理》跨学科课程教学改革研究与实践”（编号：2019Y21）；2019年度，重庆大学光电工程学院“基于科研项目导向与兴趣驱动的光电工程本科生创新实践能力培养研究”（编号：2019J01）。

[作者简介]陈显平，（1979-），男，汉族，重庆市垫江县人，博士，重庆大学 光电工程学院 教授，研究方向：1） 先进传感器与感知技术； 2 ）功率半导体器件设计、封装及可靠性；3 ）新型电子材料及器件。

[中图分类号]G642    [文献标识码]A  [文章编号]    

1 引言

近年来，随着人工智能、大数据、物联网以及5G通信技术的逐步普及与商业化，全球半导体产业迎来又一轮快速发展的机遇期。当前，集成电路产品已成我国单一最大宗进口产品，2018年我国集成电路产品进出口额逆差突破2000亿美元大关，并且仍在扩大。中国芯片自给率目前不足15%，与美、日、韩等国家仍存在较大差距。中国政府一直以来高度重视本土半导体产业的发展，特别是2018年中美贸易摩擦以来，政府对半导体产业的扶持力度明显加大，正在从过去科研经费扶持方式向以国际并购、股权投资、产业链整合为主的时代过度，本土企业在获得关键技术及先进工艺方面竞争力加强。

产业发展，人才先行。人才、设备、资金是目前半导体产业发展的重中之重。特别是作为人才密集性产业，半导体行业对高端人才有着巨大的需求，目前产业相关人才仍存在较大缺口。这就对我国的高等教育特别是微电子相关专业的发展提出了更高的要求。作为国内微电子相关专业的核心课程，《半导体物理》就更需要保证教学质量。

2 半导体物理教学现状及面临的困难

《半导体物理》是微电子学、电子科学与技术等专业中一门承前启后的课程，同时也是基础类课程与专业课程之间的纽带。其先修课程包括高等数学、线性代数、数理统计、量子力学、固体物理等。《半导体物理》一般开设时间为大三上学期，学生已基本修完前期课程，但因该课程的特殊性，在实际教学过程中仍存在较多问题。《半导体物理》是研究半导体电子状态、原子状态以及半导体器件内部电子运动过程的一门学科，是半导体科学的理论基础。由于这门课学科交叉性强，公式推导复杂、知识点繁多，覆盖知识面广、物理概念抽象，涉及到固体物理、热力学与统计物理学、量子力学、材料科学等其它基础课程的内容，导致大部分学生在学习《半导体物理》这门课程时都存在着一定程度的困难。《半导体物理》是许多本科生一门非常重要的专业必修核心课程，其教学效果与学生未来就业发展紧密相关。因此，迫切需要对相关课程教学方法策略进行改革。然而《半导体物理》传统教学方式单一，难以取得良好的教学效果。

（一）理论性较强，内容较为抽象^[1]

《半导体物理》是一门理论性很强的学科，物理概念抽象，公式推导复杂，涵盖知识面广，需要量子力学、固体物理、材料化学等众多先修学科的理论基础。作为微电子类专业的核心课程，其理论性极强，知识点具有多而杂的特点，且多数内容较为抽象，不容易直观的体现。此外，相关专业所学课程较多而一些课程学时较少，导致学生没有足够的时间去消化吸收，教师也没有足够的时间去详细地展开讲授，这也加大了半导体物理教学的难度。《半导体物理》是一门理论性很强的学科，物理概念抽象，涵盖知识面广，公式推导复杂，需要量子力学、材料化学、固体物理等众多先修学科的知识储备。在传统教学中，教师往往侧重理论计算与公式推导，课程内容抽象，教学缺乏吸引力。因此大部分学生感觉学习吃力，难以理解，进而导致学生学习态度消极，缺乏自主学习的动力。此外，半导体技术更新迅速，新的科研成果不断涌现，导致学科交叉更加深入，教师难以在仅有的课上时间内覆盖所有的知识内容，更需要学生主动学习探索相关知识。因此如何激发学生主动学习的积极性显得尤为重要。

（二）教学方式单一，学生缺乏积极性

《半导体物理》因其课程特性，目前绝大多数高校教学方式仍采用传统的教学方式，即以教师讲授为主，学生在课堂上的参与度不高，形式上仍以“填鸭式”为主。这种教学方式既不利于教师的教学，也不利于学生的学习。教师在上课过程中得不到反馈，学生也缺乏参与感，而且容易产生抵触心理，最终导致教学效果较差。而且在现行考核模式下，教师没有改变教学方式的动力，学生更多关注的也是成绩以及绩点。

（三）教材的选择不够合理

目前国内多数高校采用的《半导体物理》教材为刘恩科、罗晋生主编的《半导体物理学》 ，该教材较为全面的论述了半导体物理的相关基础理论，包括半导体的晶体结构、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布及运动规律、p-n结、异质结、表面态等问题。但该教材对于基础薄弱的初学者来说，难度较高，部分重难点内容难以理解吸收。而国外教材虽然相对更适用于初学者，但因学生英语水平参差不齐，对英文原版教材的接受度不高，这反而会增加学生学习的难度，进一步降低学生的积极性。

（四）教学与科研、工程应用缺乏联系

《半导体物理》教学往往侧重于理论知识的学习，对于这门课程，实际上学生进行相关课程实验或日常实践操作的机会非常少，脱离实验环节，缺少实验来验证物理过程的环节，学生对抽象物理概念的理解不深刻。缺乏实验验证和模拟训练的基础环节也导致学生无法把理论知识运用到后来的科研实践当中。《半导体物理》课程因其本身以理论分析为主的特点，学生在上课过程中较少有机会进行实验操作，而半导体物理的后续课程均与工程实际问题有较密切的联系，因此这会造成理论与工程实际脱节，不利于培养学生解决实际工程中问题的能力。并且目前大多数高校的实验条件达不到正常教学要求，这也给多数学校的半导体物理教学改革带来困难。动手能力是科研人才必不可少的技能，局限于理论知识也不利用学生提高自主创新能力。学生往往只注重半导体物理理论知识的学习，而动手能力差。实验环节的缺乏，不能把理论与实际有效结合，使理论知识与实践操作相背离。

3 理论与科研、工程相结合的新型教学方式

微电子相关专业主要面向半导体行业培养人才，其课程设置、实验要求、考核标准以及人才培养目标需要与半导体行业发展一致，在具有一定前瞻性的基础上注重理论与工程实际相结合。因此，半导体物理课程的教学改革仍应以理论分析为主，以仿真计算、实验验证为辅，侧重于培养学生的实际动手能力和创新思维，帮助学生更好地理解本课程中的重难点，进而加深学生对理论知识的理解。本文提出一种理论教学与仿真分析、实验验证相结合的《半导体物理》教学方式。教材选用《半导体物理与器件（第四版）》（Donald A. Neamen著，赵毅强等译）。本书涵盖了量子力学、固体物理、半导体材料物理与半导体器件物理等内容，是《半导体物理》教学中较为经典的一本教材，其涵盖内容广泛、难度循序渐进，适合绝大多数学生。因本书英文原版教材对部分学生来说有一定难度，故选用其中文翻译版。

该教材主要包括三个部分。第一部分为半导体材料属性相关内容，主要包括固体晶格结构、量子力学基础、固体量子理论基础、平衡态半导体、半导体中的输运现象以及半导体中的非平衡过剩载流子；第二部分是半导体器件基础相关内容，主要包括PN结、PN结二极管、金属半导体和半导体异质结、金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）、双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）、结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）等内容；第三部分为专用半导体器件，主要介绍了光器件、半导体微波和功率器件等。

针对第一部分半导体材料属性的相关内容，主要借助材料模拟软件Material Studio（MS）等来进行辅助教学。Materials Studio是美国Accelrys公司生产的新一代材料模拟和计算软件。Materials Studio中多种先进算法的综合应用使其无论在构型优化、性质预测、X射线衍射分析，还是再复杂的分子动力学模拟和量子力学计算中均游刃有余。Material Studio软件数据库中的晶体结构可用于教学过程中的三维可视化演示。此外也可以引导学生利用Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块自行搭建分子、晶体及高分子材料结构模型。

量子力学被称为现代物理学的两大支柱之一，其在化学与材料科学领域具有广泛的应用。量子力学主要反映分子、原子等微观粒子间的运动理论，其具有概念抽象、计算难度大、理论性强等特点，对初学者来说学习难度较大。针对量子力学部分的内容，可以利用MATLAB或Mathmatics等科学计算软件，利用其强大的数值计算及绘图能力，简化计算过程，使抽象的理论通过绘图等方式形象化，减小学生的学习难度，调动学生的积极性。

对于第二部分半导体器件基础以及第三部分专用半导体器件的教学，可以结合Silvaco TCAD或Sentaurus TCAD有限元仿真软件。TCAD即Technology Computer Aided Design，意指计算机辅助设计。多数TCAD软件均包括工艺仿真、器件仿真以及提参模块三部分。以Silvaco TCAD为例，其包括工艺仿真模块Athena以及器件仿真模块Atlas。该仿真软件语法简单，易于入门。此外因本课程本质上仍是一门理论为主的课程，TCAD有限元仿真软件在此仅起辅助作用，故不要求学生对该软件有较深的了解，另因学时有限，只需要学生大致了解简单的器件结构及工艺流程，并能通过仿真结果提取所需数据并加以分析。例如，在PN结二极管部分的教学过程中，可以指导学生完成简单的二极管的模型搭建，并借助软件中的Tonyplot模块查看器件中的电子浓度分布、场强分布、I-V特性曲线等，并可提取部分参数信息进行分析。这种结合理论与仿真的教学方式相比传统教学方式可以大大提高学生的学习积极性。对于MOSFET、BJT及专用半导体器件的学习中，因大多数教材均存在与实际工程应用脱节的情况，因此这一部分可以采用专题的形式，每一类器件作为一个专题，让学生自己去查阅资料了解该类器件目前的研究及工程应用现状。以现代半导体行业较为常用的MOSFET为例，带领学生了解MOSFET从结构到工艺的发展进程，使学生了解目前研究及应用较多的LDMOS、超结MOS等新型器件结构，引导学生思考MOSFET的结构及工艺演进过程由哪些理论来进行支撑，从实际工程应用这个切入面来进行理论知识的讲解，这样容易激发学生的学习兴趣，并且可以帮助学生更深入的理解相关知识点。

微电子相关专业的人才培养具有较强的工程导向性，而近些年来半导体行业在摩尔定律面临失效的背景下发展速度更是突飞猛进，因此《半导体物理》等课程的教学及考核方式不应拘泥于教材，而应以行业发展为导向，在夯实基础知识的同时关注产业前沿。例如，近些年来随着技术的发展以及人们需求的日益增加，硅基器件逐渐接近其理论极限，以碳化硅（SiC）和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体因其宽禁带、高临界击穿场强、高饱和电子速率以及较好的耐高温和抗辐射特性，在5G通信、航空航天、高效电源等领域逐步取代硅基器件的地位。此外，以金刚石、氧化镓(Ga2O3)为代表的超宽禁带半导体也逐渐进入人们的视野。上述半导体器件与硅基器件在部分方面存在较大差异。以氮化镓为例，其导电沟道并不是通过掺杂来实现的，而是通过器件结构中GaN沟道层与AlGaN势垒层接触面势阱处因材料自发极化效应与压电极化效应产生的一层高浓度二维电子气（Two-dimensional electronic gas，2-DEG）导电。由于这一层高浓度二维电子气的存在器件一般为常开型，因此需要对器件结构进行改进以提升其阈值电压，其本质为在零偏压下耗尽栅极下的二维电子气，提炼出核心问题后就可以引导学生思考如何解决这一问题。尽管器件结构略有不同，但基本原理都是相同的，因此完全可以将相关行业前沿技术结合进《半导体物理》的教学中，这不论是对教师的讲授还是对学生的学习都能起到正面促进作用。

4 结语

随着半导体行业的飞速发展，人才的培养越来越重要。我国目前在相关人才方面仍有较大缺口。行业人才的培养需要的是高等教育教学方式“大刀阔斧式”的改革。半导体行业的人才培养要始终坚持产业、教学、科研相结合的主线，始终立足行业发展前沿，致力于培养全方位复合型人才。“半导体物理”学科交叉性强、知识点繁多，许多学生对此学习兴趣不高，学习起来存在一定的困难。而现代半导体物理技术迅速发展，对具有创新能力的复合型人才的需求不断提高。笔者基于STEM教学理念，通过在“半导体物理”教学过程中将“教师讲，学生听”这种传统的教学模式转变为以学生为中心，教师引导的新型教学模式，注重实验教学、转变评价方式、建立长效激励制度以及引入Materials Studio软件学习的四大主要措施，引导学生形成跨学科思维方式，培养学生自主学习兴趣，增强动手实践能力，将所学知识运用到科学研究当中。

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Reform of semiconductor physics teaching under the background of combination of industry, university and research

 Chen Xianping Tao Luqi

 Chongqing University  Chongqing 400000

Abstract:With the rapid development of semiconductor industry, higher requirements are put forward for the cultivation of relevant talents. With the support of our school's teaching reform project, we plan to carry out a series of teaching reforms on the course of semiconductor physics in our school. This reform focuses on cultivating students' practical ability and innovative thinking. Through the combination of industry, teaching and research, tracking the forefront of industry development and adopting the exploratory teaching method, students' enthusiasm and teaching quality are effectively improved.

 Keywords: semiconductor physics; production-learning-research combination; simulation; engineering orientation