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半导体物理实验教学改革研究论文

发布时间:2020-11-19 10:53:23 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):

摘要:半导体产业的快速发展,需要有更多的半导体专业人才作为支撑。同时,半导体相关的科学知识更新速度也非常快,这就对半导体专业人才的培养提出了更高的要求。在文中主要针对半导体物理实验教学,对半导体物理实验教学改革进行探讨,希望可以让学生更好地适应半导体产业快速发展带来的各种变化。

关键词:半导体物理;实验教学;教学改革

本文引用格式:部建培等.半导体物理实验教学改革研究[J].教育现代化,2019,6(66):47-49.

随着微电子产业的飞速发展,现代半导体科学知识不断更新,半导体产业产品的研发创新速度日益加快,其对半导体专业人才素质的要求也不断提升,刺激了微电子专业人才需求的飞速增长。这给高校微电子专业人才培养提出了更高的要求,不仅需要学生具备相当的理论基础,更需要拥有实践应用与创新能力。因此加快微电子专业课程的教学改革刻不容缓。

一半导体物理实验的教学现状

半导体物理实验作为微电子人才培养中的专业基础实验,在高校微电子专业教学体系中占据着重要的地位。其主要涉及的理论知识包括:半导体晶体结构、载流子特性、金属-半导体接触、半导体表面效应、MOS结构特性、pn结原理等相关内容。这些理论知识相对抽象且复杂,知识点多。同时随着半导体学科领域的不断发展,学科研究前沿以及新的理论也不断出现,学科交叉与渗透日趋深入,课程系统性较强。学生对理论教学存在抵触情绪,个性无法得到张扬,创新思维与能力也无法得到培养,人才质量无法得到提升。

我国高校半导体物理实验室的设立可追溯到20世纪50年代后期,办学历史虽长,但由于多年来财力投入严重不足,而微电子技术发展迅速,国内大部分高校的实验教学条件很难满足人才培养的要求,实验室容量小、设施陈旧,教学大纲中关于半导体物理实验的内容几乎是空白,没有形成系统的半导体物理实验教材。如何通过合理的设置实验项目,完善实验教学体系,使学生更加深刻的理解半导体物理所涉及的专业理论知识,培养学生的专业应用创新能力,提高学生的专业素养,适应微电子行业的发展是本文研究的主要内容。

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二半导体物理实验教学改革措施

微电子技术的发展要求专业实验项目的开发、实验课程体系、人才培养目标必须与其行业发展一致,既要脚踏实地,实事求是,又必须要有前瞻性。基于这样的考虑,本文将半导体物理实验教改的具体内容确定如下:

(1)以应用创新型人才培养为目标进行实验项目改革,将实验项目分层次、分模块进行。同时,引入开放性实验、增加创新设计型实验的课时。

(2)针对目前微电子专业实验教学中存在的问题,改进教学方法,结合实验引入与其相关的最新科技前沿信息,拓宽学生的专业视野。

(3)完善实验课程考核体系,增加创新性实验考核比重,培养学生科学思维和创新意识。

(一)实验项目结构改革

根据半导体物理课程体系的知识结构,按照由浅入深的原则,主要围绕半导体的晶体结构、半导体的电子结构、半导体光学特性、半导体中的载流子、半导体中的电输运、MOS结构等理论知识开展实验项目,并将实验项目分为3部分:基础实验、核心实验、创新性实验,每部分实验所涉及的理论知识如图1所示。加入创新性实验部分,使学生在夯实基础,掌握核心知识后,能够灵活的运用知识解决问题,将知识点融入创新实验中。通过这样的系统化的实验设计,夯实基础、突出核心、拓展创新,三个模块层层递进,使学生建立起系统的半导体物理知识。

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基础实验部分包含3个实验项目,每个实验4个学时,如表2所示,主要针对半导体晶体结构和半导体电子结构开展实验。硅单晶是典型的半导体材料,是半导体物理知识的基础,它的结构特性抽象难懂,需要学生具备良好的空间想象力,学生理解起来存在困难。硅单晶缺陷的腐蚀显示实验,将抽象的理论知识图像化,学生对硅单晶的结构特性有更加直观的理解。四探针测半导体电阻率实验和紫外可见光分光光度计测半导体禁带宽度实验主要围绕半导体的电子结构展开,通过这两个实验学生掌握半导体的能带特性,建立起半导体能带模型,理解掌握直接能隙半导体、间接能隙半导体等概念。通过3个基础实验,学生更直观深入的理解半导体晶体结构和电子结构,同时掌握金相显微镜、四探针测试仪、紫外可见光分光光度计等专业测量手段。


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核心实验包含5个实验项目,是整个半导体物理实验的重点模块。本模块主要涉及的知识是半导体中的载流子、半导体中的电输运和MOS结构特性。学生通过霍尔效应实验和少子寿命实验对本征激发、杂质电离等概念,以及P型半导体和N型半导体的形成机制有一个更加深入的理解。在此基础上顺利地引入空间电荷区、PN结正向特性、PN结势垒电容等知识点,开展PN结正向特性实验和PN结势垒特性实验。金属-绝缘体-半导体(MOS)结构相对于PN结来说更加复杂,学生理解起来相对困难,将其安排在最后一个固定的实验项目。学生通过实验7已经熟练掌握了C-V测试仪的用法,为MOS的高频C-V测试实验排除了一定的困难,学生在心理上和实际操作中更易接受。同时,实验8的设计也是为学生后续半导体器件实验做铺垫。

核心实验涉及理论知识较多,许多实验数据需要学生后期进行分析计算,这也增加了实验的难度。例如:PN结势垒特性及杂质的测试分析实验中,学生需将测得的C-V数据进行计算,得到“!#-或”!&-曲线,并对曲线进行线性拟合,最终得到杂质浓度分布和接触电势差等参数。这个过程数据量大、计算复杂,需要专业的数据处理软件,由此引导学生使用专业的数据分析软件,如Origin、Mathlab等进行数据处理。通过使用数据分析软件,数据处理的难度降低,同时使学生接触到了专业研究领域所使用的一些工具,提高了学生科学的数据分析能力,为学生后期的专业发展奠定基础。

通过基础和核心8个实验后,学生的半导体物理知识框架已经较系统全面,实验技能也得到提高,具备了一定的科学探究能力,在此基础上增加创新性实验。创新性实验突出以学生为中心的教育理念,学生可充分发挥自己的创新能力,根据自己的研究兴趣,围绕半导体物理知识,自行设计实验,提出完整的实验方案,通过实验探究完成实验方案,得到并分析实验结果,形成研究性的小论文。创新性实验突出考察学生的理论基础、实验能力、分析能力、创新能力和科学素养,这样的创新性实验便于教师因材施教,同时学生的学习积极性得到提高,在设计完成实验的同时更培养了学生科学的思维方式和研究能力。

(二)实验教学方法改革

实验教学在高校人才培养过程中起着非常重要的作用,是连接知识与实践、实践与创新,并使理论知识向实践能力转化的重要桥梁。传统的实验教学往往只注重实验操作和实验结果,而忽视了理论与实践的联系,忽视了学生的主观感受,学生对进行某项实验的意义并不明确,严重影响实验效果。为解决这一问题,我们在实验前加入实验讲解部分,讲解内容包括实验所涉及的理论知识、实验目的、实验仪器、实验步骤与内容等。这样使学生在进行实验时思路更清晰,目标更明确,实验效率更高。

微电子行业发展迅速,产品技术更新换代快,而实验教学内容往往跟不上技术的发展,这严重影响本科生的培养质量。为将实验内容与行业技术相结合,践行研究型综合大学与时俱进的教学理念,将最新的微电子行业技术前沿引入实验教学中。结合不同的实验项目对目前微电子行业各研究领域的发展现状介绍给学生,还可以就某一部分学生感兴趣的课题进行讨论,激发学生学习兴趣,引导其主动学习,同时也能从侧面鼓励学生加强对整个微电子产业发展的关注,从而明确学习目标,提升自身对专业发展的适应能力。比如,在进行MOS的高频C-V测试实验时,将MOS管的制备流程:硅晶片制备、氧化层生长、光刻等工艺介绍给学生,学生在此基础上可进行延伸,比较各种工艺的发展瓶颈和发展趋势,并就此类问题进行讨论。学生在了解行业发展的同时,对MOS管的工作原理、特性等也有更深的理解。

(三)考核方式改革

半导体物理实验是一门综合性和研究性较强的实验课,注重学生研究能力与创新精神的培养,在课程考核中要充分突出这一要求,增加创新性实验部分的考核比重,如图3所示。科技小论文作为课程考核最重要的一部分,教师根据科技论文的完整性、综合性、创新性等为学生评分,这种考核方式使学生在做实验的过程中将所学的理论知识与研究领域前沿相结合,能够提高学生的科学探究精神,为学生以后的专业发展奠定良好的基础。

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三结论

电子产业的飞速发展与现代半导体科学知识的不断更新给专业人才培养提出了更高的要求。新形势下,半导体物理实验教学更应基于微电子产业的发展,本论文所设计的课程,针对目前实验教学过程中存在的问题与不足,结合微电子学院人才培养目标,开展半导体物理实验项目的开发与应用,对实验教学模式进行改革。将实验项目系统分为3个结构模块,层层递进,全面提升学生的理论基础、实践能力、创新精神。同时,在教学中引入科技前沿讨论部分,拓宽学生的专业视野;改革考核方式,增加创新性实验的考核比重,培养学生科学探究精神,提高学生的科学思维。

参考文献

[1]孙皆宜.核心素养下的高校半导体物理教学改革路径浅谈[J].科技风,2019(10):44.
[2]盛英卓,苏庆,张振兴,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(03):31-33.
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