新能源材料与器件专业中“半导体物理与器件”课程教学

    黄妞 孙盼盼 倪世兵 孙小华

    摘 要 “半导体物理與器件”在以半导体材料为基础的新型光电、能量存储与转换领域人才的知识结构中具有重要基础地位。本文从该课程在新能源材料与器件专业中的教学现状出发，对该专业的“半导体物理与器件”教学内容、方法、手段和考核形式做了些思考与实践。

    关键词 半导体物理 半导体器件 课程教学

    中图分类号：G647 文献标识码：A

    2010年，教育部批准全国15所高校设置“新能源材料与器件”国家战略性新兴产业专业。2011年三峡大学获批建设第二批新能源材料与器件本科专业并于2012年招生。虽然多数开设该专业的学校都设置了“半导体物理与器件”作为专业核心课程，但如何建设促进该专业发展，促进新能源产业应用技术人才发展的课程，在该课程建设实践中有许多值得研究和探讨的问题。

    结合“半导体物理与器件” 知识点多理论性强应用面广，新能源材料与器件专业考研就业面分散，并结合三峡大学该专业软件、实验实践平台条件，浅谈如何整合资源优化教学内容，丰富教学手段和考核形式，提高教学质量。

    1“半导体物理与器件”课程及教学现状

    我校新能源材料与器件的“半导体物理与器件”课程采用陈治明等《半导体物理学简明教程》为教材。综合教材特点与教学实践情况，对该课程教学存在的问题归纳如下：

    1.1教材知识点多理论性强，学生很难吃透知识点

    教材内容包括半导体物质结构和能带、载流子及其输运、非平衡态、PN结、金-半接触、异质结和纳米结构、半导体表面与MIS结构、其它半导体效应。编者前言中提到“大体上，讲完全书至少需要80学时。学时不足50的情况下可只讲前3章或前4章，学时稍有富余则可依次后延”。我校新能源材料与器件专业该课程为40理论学时，学时不足学生很难掌握知识点。

    课程涉及内容广、概念多且抽象，知识点关联性强，物理模型推导复杂。一方面，学习该门课程所必需的量子力学初步和固体物理基础内容都为较难课程，许多同学存在知识结构断层。另一方面，该课程内容编排上从本征半导体和掺杂半导体到N、P型半导体形成的PN结，再到各种半导体器件，采取层层推进的方式，要求学生扎实地掌握每一部分的核心内容，如果没消化吸收一些知识点很快就跟不上进度。

    1.2实验实践平台限制，学生很难理论联系实践

    以硅、锗、砷化镓、碳化镓为代表的半导体，它们的生产设备非常昂贵，普通高校不能负担起搭建其生产检测工艺线。此外，半导体材料与器件的应用越来越广泛，实验室设备很难做到同步更新。另外，比起庞大且庞杂的半导体材料特性测试、半导体器件的应用，该课程实验课的学时也远不够开设与之协调的实验项目。该课程是一门理论与应用相结合的课程，仅仅从课本上学习相关知识，难以理论联系实际，学生学起理论知识来亦觉得枯燥、乏味。

    2“半导体物理与器件”教学改革探索与实践

    如何结合半导体物理与器件的课程特点、新能源材料与器件人才培养目标和实验实践平台，整合资源力争在有限的学时和平台给予学生最切实的帮助。2016-2018年，我校新能源专业与器件毕业生中约1/3继续攻读材料学方面的研究学位，约1/3于锂离子电池方向就业，约1/3到LED、光伏、基础工程建设部门工作，亦有少量同学从事非材料学科的工作。基于该专业就业去向宽泛，确立了以"加强基础、重视应用、培养能力"为指导思想，以半导体材料和器件于新能源中的应用为导向，以改革理论、实验教学、课程设计、课题研究与教学模式为抓手，逐步提升该课程的建设。

    2.1分层次组织教学内容

    第一层次基础知识铺垫，在讲授半导体物理与器件之前要进行固体物理学相关课程知识的铺垫，还要增加量子力学的相关基础知识，为学生构建完整的知识框架，降低认知落差。

    第二层次半导体物理与器件基本理论，包括热平衡和非热平衡半导体的基本性质、半导体PN结、常见半导体材料与器件的工作原理和应用。然而，半导体器件品类繁多工作原理不尽相同，同时新材料、新器件、新原理层出不穷，且因课时的限制和专业不同定位，必然使得该层次的内容有所删减和突出。以我校新能源材料与器件为例，考虑到约1/3的学生毕业后去锂电行业工作，这些行业需要掌握半导体材料方面的相关知识：能带结构、载流子浓度和电导率；亦有学生去LED、光伏、光电探测、激光半导体等领域，这些行业需要掌握半导体材料方面的相关知识：非平衡载流子及其寿命、半导体的光吸收；也需要掌握半导体器件方面的相关知识：PN结和金半接触。考虑到几乎没有学生从事集成电路、电子芯片等领域的工作。我们在课时有限的情况下，没有讲授三极管、MIS、MOS和场效应晶体管的相应内容，只讲授了教材前5章的内容，同时没有讲授强电场中的载流子输运、电导统计理论、半导体的热导率，却增加了紫外可见分光光度计测半导体光吸收、LED的工作原理。

    第三层次实验和课程设计内容建设，设置若干基础实验让学生掌握半导体材料的基本特性，如：电阻率与温度、掺杂与极性、能带结构与光吸收、额外载流子寿命等；掌握半导体器件核心——二极管电流——电压曲线测试、三极管和场效应晶体管的放大效应测试，深化对半导体物理与器件理论知识的认知。若有条件可以开设太阳能电池、LED、集成电路等制备实验。以我校半导体物理与器件课程为例， 8学时实验课我们结合了自身实验室的条件开设了紫外可见分光光度计测光学带隙和光电导测少子寿命两个实验，分别促进学生对半导体能带结构和本征吸收、载流子与其寿命理论知识的掌握并培养学生的动手测试分析能力。与此同时，半导体物理与器件对应有2周的课程设计，在这两周内学生要完成如ZnO、ZnS、Bi3O4、TiO2、NiO、SnO2等中某种半导体相关生调研文献、制备、物相形貌分析、光吸收和发光特性的测试和分析。此外，该专业开设了“光伏器件与检测”这门课程，该课程包含了与光伏器件检测相关的8个实验；另外开设了材料制备与材料性能测试的综合实验，这些实验中包含了一些薄膜制备实验，例如热蒸发和磁控溅射制备半导体器件中的接触电极和减反射膜。然而由于平台限制，我们无法让学生体会半导体器件的制备——检测的全过程，例如制备晶硅太阳能电池、氮化镓LED二极管，实有遗憾。

    第四层次为开展课题式实践教育，鼓励学生利用课余时间进入实验室并作为毕业设计内容提前开始，利用已学理论与实践对行业热点问题进行思考和探究，进一步培养实践能力。教师对学生进行指导并对指导及相关信息备案，促进教学进一步深化。

    2.2教学模式、方法和考核方式的不断更新

    （1）正确处理物理模型和数学分析的关系，不让学生迷失在公式推导的海洋里，强调对物理结论的正确理解和应用。（2）利用现代化的教学设施和手段，变抽象为具体，化枯燥为生动，采用讨论式、启发式、探究式教学，调动学生积极主动性。（3）鼓励课后网上学习，发挥线上线下相结合的教学模式，利用网络交互系统管理，即时发现学生学习过程中遇到的问题并即时解答；（4）改善考核体制，将过程纳入平时成绩并加大其比重。然而，只有部分高校的少部分专业具备人力物力搭建——管理——维护“网络交互系统”。以我们专业为例，网上交互学习平台有限。因此我们：①建立学习小组（6-8人/组），每个章节讲完后就对应重点内容布置作业，组员间互改互评作业并纳入平时成绩，问题集中后老师重点讲评，让学们牢牢掌握重点内容不掉队；②对于与就业有关的内容列出专题，例如：光伏电池、光电探测、LED和激光器，以小组为单位调研资料深化对专题的认识，并以PPT形式汇报，过程纳入平时成绩。

    参考文献

    [1] 张俊举等.“半导体物理”课程教学改革[J].电气电子教学学报，2018 .

    [2] 陈治明等.半导体物理学简明教程[M].机械工业出版社，2016 .

    [3] 张志强等.“半导体物理基础”课程研究型教学模式的设计与实施[J].煤炭高等教育，2017.

    [4] 徐大庆等.基于创新型人才培养的 “半导体物理”教学改革探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估）， 2017.

    [5] 盛英卓等.半导体物理实验的教学改革与实践[J].高校实验室工作研究，2017.

    [6] 杨建红等.半导体物理课程的基本理论创新与教学实践[J].物理与工程，2018.

    [7] 徐跃.融入工程教育思路的半导体物理教学改革与实践[J].当代教育实践与教学研究，2018.