孙艳梅

半导体器件原理教学改革

孙艳梅

（黑龙江大学 电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

半导体器件原理是学习集成电路芯片技术的基础和核心课程．由于该课程具有内容多、公式长、机理复杂的特点，课堂教学难度较大．结合半导体行业发展现状和该课程的特点、教学实践及目前教学过程中存在的问题，从教学理念、教学内容建设、教学方法和教学手段等方面对课程教学模式进行改革，探索实现路径，以激发学生学习兴趣，提高教学质量，夯实学生专业基础．

半导体器件原理；集成电路芯片；教学理念；教学方法

以半导体产业为支撑的集成电路产业是信息技术的核心，集成电路又是支撑社会经济发展以及保障国家安全的先导性产业[1]．然而，目前我国集成电路技术与国际先进技术水平仍有较大差距，关键技术的发展受到限制，这钳制了我国在5G通信、大数据、人工智能等领域的快速发展，也限制了我国进入全球高端产业链的进程．近年来所发生的“中兴事件”“孟晚舟事件”“华为5G禁令事件”等都与集成电路芯片技术密切相关．发展半导体产业，培养集成电路高端人才是突破该瓶颈的有效措施[2]．随着我国集成电路产业的快速发展，人才短缺的现象凸显，而高校电子科学与技术专业承担着该领域人才培养的主要任务．

半导体器件是集成电路产业的基础．理解和掌握集成电路核心器件的工作原理是集成电路设计的基础．半导体器件原理课程是电子科学与技术专业和集成电路专业的一门专业必修课，又是这两个专业的基础课，是器件模拟与工艺仿真、模拟集成电路、数字集成电路等课程的前导课程．半导体器件原理课程通过分析半导体器件中载流子的运动规律，研究半导体器件的工作原理和特性，是半导体器件性能控制、开发和设计的基础和依据[3-4]．

1 课程的特点及存在的问题

1.1 教学模式单一，缺乏自主意识培养

半导体器件原理课程的宗旨在于使学生掌握典型半导体器件的工作机理和特性控制方法，为设计和制造集成电路芯片奠定基础[5-6]．半导体器件原理内容涉及广泛，知识点多，物理机理复杂，其典型特点是：器件种类繁多，结构各异，物理概念抽象，公式冗长，推导繁琐．传统的以传授知识为中心的“填鸭式”教学方法对学生知识体系进行构建，很难照顾到学生对枯燥、抽象、复杂的理论知识的抵触，使得学生被动学习，导致僵化地记忆．从整体反映来看，学生对这门课程的积极性低，课堂互动差，教学效果不理想．

1.2 课程内容陈旧，滞后于先进技术

当今全球微电子领域迅猛发展，知识更新速度快，新技术、新理论不断涌现，各个学科之间的融合交叉愈发密切．目前，半导体器件原理课程内容陈旧，落后于时代信息技术的发展，而且电子科学与技术专业或集成电路专业培养方案的修订难以跟上信息技术的飞速发展．特别是当器件的工艺节点进入纳米尺度时，绝缘栅场效应晶体管的性能越来越受到短沟道效应、窄沟道效应、漏诱生势垒降低效应、沟道长度调制效应和小尺寸方面存在的量子效应等的限制．随着微电子技术的快速发展，研究人员开发了多种基于新原理、新结构和新材料的半导体器件．目前，半导体器件原理的教学内容落后于先进技术．

1.3 理论实践脱节，很难适应产业发展

半导体工业人才的培养是一项系统工程，学生不仅要具备扎实的理论基础，还要通过实际的工程实践加深对理论知识的理解与运用．所以，需要高校与产业界合作对学生进行联合培养，实现资源优势互补和共同发展进步，为国家培养具有创造思维和能够解决实际工程问题的半导体工业人才．然而，传统的半导体器件原理课程教学模式存在重理论，轻实践的弊端．新旧知识的融合和理论与实践缺乏良好的衔接．所以，为有效提升教学质量，培养适应产业发展、紧跟现代技术发展的专业人才，进行该课程的教学改革势在必行．

2 半导体器件原理课程教学改革

结合半导体产业的发展现状和半导体器件原理的课程特点、教学实践和目前该课程教学中存在的问题，对半导体器件原理课程进行教学改革．

2.1 教学理念改革

当今，现代半导体技术的发展日新月异，器件的种类日益增多兼具新的结构和新的性能，新技术、新工艺、新产品不断涌现．任何一门课程都不能涵盖所有的器件及其工艺，更无法介绍和解释所有器件的特性．要在有限的教学课时中丰富学生的认知，就要求我们首先进行教学理念改革．教师要充分确立学生是学习主体的理念，避免学生被动学习，注重学生自主学习、主动思考能力的培养，树立民主的工作作风．通过引导和分析，实现学生自主学习．需要强调的是，教学效果并不只是通过卷面成绩进行验收，而是在学生的分析问题、解决问题的综合能力等方面进行体现．只有提高学生的综合能力，未来在面对多种新型半导体器件时，学生才能应对自如．

2.2 教学内容的建设与更新

传统的教学侧重于理论知识的学习，较少涉及到理论在实际生活中的应用．据此，可增加知识应用的教学．考虑到实验教学是本科教育的重要组成部分，是学生把理论知识和实际应用进行结合的重要途径．实验是学生动手操作的好机会，在实际操作中学生可能会遇到各种问题，实验教学中可以把对应理论知识进行点对点的详细讲授，不仅可以激发学生对知识的探索欲望，还有益于学生更深刻地接受和理解理论知识．

当前，半导体器件正朝着“高于摩尔”和“超越摩尔”两个方向飞速发展[7]．器件结构、系统构架和材料性能都要满足半导体器件3D堆垛“异质异构”的集成要求，教学中可结合“超越摩尔”突破传统CMOS工艺的技术瓶颈的科学前沿，例如：二维层状材料在纳米尺度上优异的电学特性，采用碳纳米管、石墨烯、二硫化钼、氮化硼、层状双金属氢氧化物、钙钛矿等新材料构建基于电子自旋、量子点的偶极矩和忆阻器等新型器件等先进材料及器件对教学内容进行更新[8-9]．

另外，随着6G数据通信、超高密度数据存储及太赫兹检测等技术的不断发展，各种新器件、新技术层出不穷[10]．为培养能够适应技术变革甚至引领未来的半导体工业人才，半导体器件原理课程的教学内容应该将学术前沿成果和行业动态实时融入教学内容，使学生掌握集成电路技术的发展趋势，为未来技术升级提供知识储备．考虑到半导体工业界高层人才不仅要具备设计当前主流器件、并迅速投入工业生产的能力，还要具备灵活应对半导体器件发展过程中未来在材料、机理以及结构等方面发生的换代升级的能力，将半导体器件原理课程的知识结构进行划分（见图1）．其中，器件基础模块属于本科生阶段半导体器件原理的知识结构；核心器件模块是当前CMOS工艺中集成电路的主流器件，也是半导体器件原理课程的主要知识结构；新型器件模块侧重于基于新材料、新机制和新结构的学术前沿成果以及半导体行业发展动态．

图1 半导体器件原理的课程知识结构

2.3 教学方法改革

“灌输式”教学模式下，学生对知识的领悟和理解是非常有限的，甚至会慢慢失去了学习兴趣，从而被动学习．半导体器件原理是一门知识面广、理论与实践并重的交叉学科．教师在教学中要做到“详略得当”，工程实践中需要经常用到的知识点就要详细讲解，有些不好理解的晦涩难懂的深奥理论和机制应该略解，从而消除学生畏难的心理负担．对于部分抽象的理论机制和原理以及晦涩难懂的知识点，可以将半导体器件工作原理制作成视频和动画进行演示和体现，可以有效提高教学效果．当学生具备相当的相关理论基础时再进行实践，走进企业，通过企业或工厂生产线参观学习及讲解帮助学生消化理论知识内容，头脑中将理论知识与生产实践进行有机结合，从而提升学生的学习热情，把学生从被动学习转变成主动学习．针对参观的内容，回校后针对不同的知识点可提出相关问题，组织学生分组讨论，然后由学生分析问题并进行讲解，再启发其他学生进行讨论，培养学生的分析问题、解决问题的能力以及团结合作精神．评估学习效果通常采用美国缅因州国家训练实验室所提出的金字塔模型（见图2），努力实现金字塔塔底的学习效果．

图2 金字塔模型

2.4 教学手段改革

通过现代网络技术搭建的师生互动自主学习平台，教师课前布置自学任务，并在组织学习平台上上传视频教程和学习资料供学生随时自学查阅，让学生课后提交总结报告，开通评论区和实时留言功能，实现实时交流．充分利用多媒体技术和网络教学优势，结合动画、音频和视频等方式，直观、深刻地展示和解读器件的构建过程及载流子的输运过程，使抽象、深奥的理论知识变得可视化、形象化，提供给学生不同角度的感官体验和知识体验，调动学生的学习积极性，促进对知识的理解．

虽然微电子类院校都会开设半导体器件原理实验教学，但实际并不能反映现阶段CMOS工艺的特点，而且远远滞后于当前的工艺技术水平．针对上述问题，可将大型半导体器件仿真软件Slivaco TCAD引入到教学中，进行半导体工艺和半导体器件等多项模拟仿真．可涵盖二极管、双极性晶体管、高电子迁移率晶体管、绝缘栅场效应晶体管、鳍式晶体管等现代集成电路工艺中的多种类型器件，模拟真实先进的工业器件的电特性，使学生在交互操作中对半导体核心器件的工作原理有直观、深刻的理解．在Silvaco TCAD中，数值计算是基于一系列物理模型及方程进行的，不同的物理模型有不同的适用条件，物理模型的选择直接影响仿真的准确性甚至正确性．通过对比不同物理模型、不同工艺参数的模拟结果，加深对理论知识的理解．选择不同的物理模型、器件类型、分析方法，并加入新材料、新结构、新特性的器件实验，非常有利于培养学生自主学习、独立思考、主动探索的能力和创新意识．在课堂上使用仿真软件，可以使枯燥的公式计算结果更有说服力和有效性．

3 结语

半导体器件原理课程要求学生掌握半导体核心器件的工作原理、优化设计方法和发展趋势，使学生具备一定的器件性能分析、工艺设计和性能控制的基础．结合半导体产业的发展现状以及半导体器件原理课程的特点和目前课程教学中存在的问题，从教学理念、内容、方法和手段等方面进行教学模式的整合与重构探索研究，以期增强学生的学习热情，改善教学质量，以培养具有自主学习能力、适应科学研究和社会生产需要的综合型人才．

[1] 魏少军．2017年中国集成电路产业现状分析[J]．集成电路应用，2017（4）：6-11．

[2] 段理，张亚辉，樊继斌，等．《半导体材料及器件》教学改革与实践[J]．教育教学论坛，2017（4）：169-170．

[3] 齐吉泰．半导体器件中的量子隧道效应[J]．高师理科学刊，2002，22（2）：23-26．

[4] 董可秀，石永华，艾青云，等．案例教学法在“半导体器件原理”教学中的尝试与反思[J]．廊坊师范学院学报（自然科学版），2018，18（2）：110-113．

[5] 曹伟，罗民，陈海燕．基于半导体可饱和吸收镜的双波长环形腔连续波光纤激光器[J]．高师理科学刊，2019，39（4）：43-45．

[6] 张芳，任大庆，张纳．浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革[J]．教育教学论坛，2019（23）：133-134．

[7] 常胜．后摩尔时代研究型微电子人才培养思考[J]．教育教学论坛，2019（3）：214-216．

[8] 谢生，徐江涛，韩旭，等．“现代半导体器件原理”课程改革与探索[J]．教育教学论坛，2022（3）：41-44．

[9] 孙玲，黎明，吴华强，等．后摩尔时代的微电子研究前沿与发展趋势[J]．中国科学基金，2020（5）：652-659．

[10] 彭强．针对创新型人才培养的“半导体器件物理”课程教学改革探索[J]．江苏科技信息，2017（8）：66-67．

Teaching reform of semiconductor device principle

SUN Yanmei

（School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150080，China）

Principles of semiconductor devices is the basic and core course for learning integrated circuit chip technology．Because the course has many contents，long formula and complex mechanism，the classroom teaching is more difficult．Based on the current development situation of semiconductor industry，the characteristics of this course， teaching practice and existing problems in the teaching process，the course teaching mode is integrated and reconstructed from the aspects of teaching concept，teaching content construction，teaching methods and means，and the realization path is explored，so as to enhance students′ interest in learning and improve teaching quality，and consolidate students′ professional foundation．

semiconductor device principle；integrated circuit chip；teaching philosophy；teaching method

1007-9831（2023）11-0093-04

TN36∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.11.018

2023-04-12

黑龙江大学高等教育教学改革工程项目（2021C13）

孙艳梅（1979-），女，吉林前郭人，副教授，博士，从事功能材料与器件研究．E-mail：sunyanmei@hlju.edu.cn