《半导体物理课程教学改革.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体物理课程教学改革.pdf（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、“半导体物理”课程教学改革 张俊举;张益军;高建坡;王利平【摘 要】本文结合我校实施的“卓越工程师教育培养计划”,对“半导体物理学”课程进行了教学计划和教学内容的调整,增加了实验内容,构建了“知识讲授、网络学习、综合实验、科研训练、生产实习、企业实践”六位一体的半导体物理教学模式,提高了学生综合利用知识的能力,强化了对学生工程实践能力培养.【期刊名称】电气电子教学学报【年(卷),期】2018(040)003【总页数】3 页(P37-39)【关键词】教学改革;半导体物理;卓越工程师【作 者】张俊举;张益军;高建坡;王利平【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094;南京
2、理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094【正文语种】中 文【中图分类】G642.0 0 引言 教育部实施的“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养造就创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。2012 年，我校电子科学与技术专业被确定为“卓越工程师教育培养计划”试点专业。电子科学与技术专业针对“卓越工程师教育培养计划”的要求，对专业课程内容进行了改革，把课程理论与实践的联系提到了突出的位置
3、，压缩了专业基础课教学时间，增加了企业实践内容，适当删减了一些相对陈旧、工程实践应用少的内容。作为我校电子科学与技术专业的核心课程，“半导体物理”也相应进行了教学计划和教学内容的调整，强化了实验内容，增补了教学与实践的联系，构建了“知识讲授、网络学习、综合实验、科研训练、生产实习、企业实践”六位一体的“半导体物理”教学模式，突出对学生工程实践能力培养1。1“半导体物理”教学现状 自 20 世纪中叶起，半导体物理学的发展方兴未艾，衍生出了表面物理、材料科学、纳米科学等众多子学科和交叉学科，推动了像半导体、激光、超导、纳米材料等现代技术的发展，受到了愈来愈多的重视。“半导体物理”课程主要研究半导体
4、原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程，是“光电器件”、“半导体器件原理”、“集成电路设计”、“集成电路工艺”、“真空电子器件”等课程的基础。该课程理论性强，涉及知识面广，一直存在“教师难教，学生难学”问题，其教学现状主要体现为：1）基础知识要求高“半导体物理”课程包含很多理论阐述和推导，需要学习者具有良好的数学、量子力学、固体物理、统计力学与热力学等相关基础知识2。但是，包括我校在内的大部分工科院校电子科学与技术专业目前都取消了“量子力学”、“统计力学”与“热力学”课程，学生没有学习半导体物理的前导知识，就直接进入半导体物理的学习。因此，加大了教师教学难度，也增加了学生的学习压力3
5、。2）教学模式单一 目前“半导体物理”教学基本采用“教师讲学生听”的模式，由于该课程阐述的大部分都是微观物理结构、微观物理现象和微观物理理论推导，这些知识抽象枯燥，如果只是采取单纯的“教师讲学生听”模式，缺少教师和学生之间的互动，无形中增加了学生的学习难度4。长期采用这种教学方法，不利于带动学生的探索精神，学生获得的知识仅限于课本知识，也不利于学生创新能力的培养。3）学生认识偏差 目前，工科院校学生中大多有重技术轻理论的思想，具体到电子科学与技术专业的学生，非常重视电路系统设计能力的提高，往往忽略半导体物理理论的学习。这使学生学习“半导体物理”的积极性不高5。针对这些问题，很多高校教师结合自身
6、教学情况，提出了很多有效的教学方法，取得了不错的教学效果6。其中，文献7提出了基于研究性学习的教学思想，培养学生的创新意识和科学工作能力。文献 8提出了启发式教学思路，采取不断提问题的方式，环环相扣，引起学生的兴趣。2“半导体物理”的教学改革措施 综合考虑了半导体物体的教学现状，提出了如图1 所示的“半导体物理”教学培养流程。1）优化与整合课程教学内容 图 1 半导体物理教学培养流程“卓越计划”要求总的教学目的是增强学生的工程实践能力，而压缩专业基础课学时数和增加企业实践方面的学时数都是以此为目的采取的措施。针对“半导体物理”教学学时的压缩，对教学内容进行了整合与优化。首先理清与前导课程“固体
7、物理”的重叠内容。晶体结构、晶格振动、紧束缚近似、近自由电子近似、准动量、有效质量等都是“固体物理”的重要教学内容，常见的教材也会安排 1-2 章来回顾这部分内容。因为“固体物理”和“半导体物理”课程教学时间靠得很近，因此可通过复习回顾快速完成这部分内容。其次，制定了与后续课程“半导体器件原理”的衔接方案。“半导体器件原理”主要讨论双极晶体管、金属-氧化物-半导体晶体管等，在“半导体物理”教授过程中，可适当介绍 pn 结与双极晶体管、MIS 结构与金属-氧化物-半导体晶体管的关系，这可以引起学生对这部分知识学习的重视，并再次强化 pn 结等知识教学。最后，结合我校的半导体工艺线，可以让学生很好
8、地理解 pn 结的制备过程。结合样品厚度一定时的少子扩散规律和 pn 结正向偏置的伏安特性，可以很好地解释 NPN 管电流放大的本质原因是 P 区少子扩散长度远大于基区厚度，其放大系数取决于两者的比值。通过教学内容的优化整合，既保持了教学内容的延续性，又防止了教学知识断层；同时强化 pn 结等知识教学，进一步补强了与工程实践相关的内容。在教学内容上拟实现三个结合，即“半导体经典理论与当代半导体工业发展相结合”、“课堂教学与网络教学相结合”、“工程实践能力培养与基础知识学习相结合”。2）改革教学方法和教学手段 在教学手段上，依托我校网络教学综合平台，建立了该课程的课件讲义、习题测验和补充资料的体
9、系。采取“以教师为主导，以学生为主体”的启发式教学方式，有效地改变了学生学习“半导体物理”的畏惧心理并激发其学习兴趣，培养学生创新意识和创新能力。我们设计了互动环节，通过启发式教学方法进行理论知识讲授，使学生掌握半导体能带、电子状态和空穴、杂质和缺陷能级、费米分布、平衡载流子浓度、载流子输运、非平衡载流子和 pn 结等知识。同时，加强热电效应、载流子输运、pn 结、少子寿命等实验或配套的实践活动。还利用三维图形设计软件（3Dmax），设计了金刚石结构、闪锌矿结构、纤锌矿结构等常见半导体晶格结构及其原子结合过程，设计了杂质能级在晶体中的形成过程、空穴的形成过程、类氢模型对电子的束缚、电场作用下电
10、子和空穴的运动、非平衡载流子的扩散和 pn结接触过程等。我们通过将动态图、三维图、视频等多媒体技术引入到“半导体物”理课程的教学中，运用动态、直观描述和演示晶体微观结构、载流子在半导体中的运动等物理概念和规律。图 2 和 3 给出了正向和反向偏置时 pn 结的瞬态画面。图 2 正向偏置时的 pn 结 图 3 反向偏置时的 pn 结 3）工程实践能力的培养 构建“知识讲授、网络学习、综合实验、科研训练、生产实习、企业实习”六位一体的“半导体物理”教学模式，突出对学生工程实践能力培养。通过“半导体物理”课堂教学、半导体物理实验、光电子微电子综合实验、生产实习、企业实习和科研训练，全面培养学生的工程
11、实践能力。半导体物理实验涉及到脉冲光电导法测试少子寿命、四探针测试电阻率和方块电阻、半导体材料的霍尔效应测试等。光电子微电子综合实验利用光电工程实验教学中心的半导体工艺线自行设计和制造二极管，生产实习主要完成光电池的设计和制造。企业实习主要是到南京电子器件研究所（55 所）、中电光伏、长江电器集团微电子公司，实习内容包括 GaAs 半导体材料的生长，微波集成电路的设计、制造、测试与封装，光电池的设计、制造、测试与封装等。科研训练主要根据科研项目拟定题目，让学生通过参与到科研过程中，深入了解半导体物理的各种理论与实践知识。例如，科研训练题目GaAsP 光电阴极体材料的光电性质计算研究综合运用了过
12、剩载流子、扩散与漂移等多方面知识。3 结语 通过优化与整合“半导体物理”教学内容，既保持教学内容的延续性，又防止教学知识断层；同时强化 pn 结等知识教学，进一步补强与工程实践相关的内容。同时改革教学方法和教学手段，有效地改变了学生学习“半导体物理”的畏惧心理并激发其学习兴趣，培养学生创新意识和创新能力。通过半导体物理课堂教学、半导体物理实验、光电子微电子综合实验、生产实习、企业实习和科研训练，全面培养学生的工程实践能力。这些教学改革措施，让学生对“半导体物理”学习的兴趣和积极性大大增加。同时提高了学生综合利用知识的能力，强化了对学生工程实践能力培养。参考文献：【相关文献】1 王晓丹，毛红敏融
13、入地区优势改革半导体物理与器件课程教学模式J北京：中国教育技术装备，2016，（12）：103-104 2 张静，洪学鹍，侯海虹等新能源专业“半导体物理”课程教学改革初探J合肥：科教文汇，2016，（34）：46-47 3 许德富“学案导学”教学模式在半导体物理课程教学中的实践J北京：科技资讯，2014，（33）：181-182 4 耿莉，徐友龙，张瑞智等创新型人才培养模式下的半导体物理教学研究J南京：电气电子教学学报，2009，31（z1）：85-88 5 刘德伟，李涛半导体物理课程教学改革探讨J北京：中国电力教育，2013，（34）：85-86 6 于莉媛浅谈半导体照明专业卓越工程师的培养J北京：科技创新导报，2012，（3）：237-237 7 王印月，赵猛改革半导体课程教学融入研究性学习思想J兰州：高等理科教育，2003，（1）：69-71 8 胡云峰半导体物理启发式教学改革探讨J湖北：科教导刊，2013，（7）：122，152