微電子器件基礎課程的現代教學理念改革研究論文
微電子器件基礎課程的現代教學理念改革研究論文
本文提出應基於“微電子器件基礎”課程的內容特點和教學實際，根據微電子行業對人才要求改革教學目標。採用現代教學理念，將微電子器件設計模擬與理論計算緊密結合在“微電子器件基礎”教學體系中，旨在培養學生的創新能力與器件設計能力。教學實踐表明，教學改革調動了學生的積極性，提高了其微電子器件設計能力，教學效果良好。
“微電子器件基礎”課程的主要內容是半導體器件基本方程、PN接面二極體、雙極結型電晶體和絕緣柵場效應電晶體的基本原理和工作特性，包括直流、功率、頻率、開關、噪聲等特性以及器件的SPICE模型。該課程是電子科學與技術專業及相關專業的專業基礎課和核心課程。由於課程具有理論性強的特點，教學中，很多學生感到比較枯燥，理解難度大，理論與實踐聯絡不緊密。為了解決上述問題，一些教師開展了教學改革實踐。如：透過將多媒體與傳統的板書在實際的教學過程中成功地結合起來，提高了教學效率，改善了教學效果;透過雙語教學課程改革的構想與實踐，為微電子學專業人才培養提供一條新的思路;透過課程設計強化和鞏固學生對理論知識的學習;以網路教學平臺為依託、以課堂小組討論為形式創新實踐了研究性教學模式，大大激發了學生的興趣，調動了學生的主觀能動性。上述方法教學改革效果明顯，但在教學理念方面改革較少。
本文采用現代教學理念，將微電子器件模擬設計貫穿整個教學活動，在提高學生興趣和掌握理論的基礎上，使學生具備應用微電子器件模擬軟體設計器件的能力。
一、教學目標改革
教學目標是教學效果的關鍵因素。“微電子器件基礎”是處於理科與工科交界的課程，特點是公式推導多，理論體系很完善。教學存在主要問題是學生理解較難，理論與實踐銜接不好。主要原因是該課程通常的培養目標是掌握微電子器件基本理論和基本器件引數測試技術，缺乏伴隨教學的實踐內容，學生的主動性和創造性不能充分發揮。因此，應該採用現代教學理念進行教學目標改革。
微電子產業是我國重點發展的行業，前景廣闊，人才需求較多。由於微電子技術進步迅速，對人才知識結構和能力要求很高。這就需要教學以社會需求為中心進行教學改革，提高學生的競爭力。
當前，微電子器件行業的產品設計流程分為軟體模擬設計、投片和測試三個步驟，迴圈往復直至到達到指標要求。用人單位對於電子科學與技術專業本科畢業生的要求是掌握微電子理論，具備良好的外語水平和微電子模擬軟體應用能力。作為核心課程之一的“微電子器件基礎”原有的培養目標已經不能滿足當前行業的人才要求，因此，將培養微電子模擬軟體設計技能作為目標之一是十分必要的。
對於現代教學理念的實施，核心問題是如何找到一個將教學的互動性、學生的主體性和知識建構性有機結合的載體，也就是找到適合理論應用和適合教學的實踐活動。“微電子器件基礎”課程主要論述的是半導體器件的結構特點和效能引數，重點是器件研製而不是應用，因此，該課程合適的實踐活動是研製半導體器件。研製半導體器件教學實踐主要有三種方法，分別是實際製造、模擬設計和理論計算設計。實際製造需要很高的費用和較長的時間，作為一個集中實踐環節比較適合。理論計算設計能夠將本課程中各部分內容緊密結合，提高學生的理論水平，但該方法的缺點是沒有驗證性和趣味性，較難調動學生的積極性。模擬設計採用半導體器件模擬軟體透過編寫程式設計器件結構和結果驗證，具有費用低、趣味性強和符合行業人才需求的特點，非常適合作為現代教學理念實施的載體。因此，將培養微電子模擬軟體設計技能作為目標之一是切實可行的。
二、教學內容和方式改革
我們根據修改的培養目標，對“微電子器件基礎”課程進行了內容的調整。在理論體系上為保留原來的半導體器件基本方程、PN接面二極體、雙極結型電晶體和絕緣柵場效應電晶體的基本原理和工作特性以及器件的SPICE模型。實驗內容為二極體、三極體和場效電晶體的引數測試和Medici模擬軟體程式設計。增加微電子器件模擬設計內容，並且貫穿整個教學過程。
微電子工藝模擬以及器件模擬工具軟體的英文縮寫是TCAD，即Technology Computer Aided Design。世界上商用的TCAD工具有Silvaco公司的Athena和Atlas，Synopsys公司的TSupprem和Medici以及ISE公司的Dios和Dessis.Synopsys公司的TCAD工具命名為Sentaurus。
本文采用的是Silvaco公司的Athena和Atlas模擬軟體，主要原因是軟體具有功能完善、行業應用度高和安裝方便的優點。工藝模擬軟體ATHENA能幫助工藝開發和最佳化半導體制造工藝。ATHENA能對所有的關鍵製造步驟(離子注入、擴散、刻蝕、澱積、光刻以及氧化等)進行快速精確的模擬。它透過模擬取代了耗費成本的矽片實驗，可縮短開發週期和提高成品率。ATLAS器件模擬系統可以模擬半導體器件的電學、光學和熱學行為。ATLAS提供一個基於物理的、使用簡便的模組化的可擴充套件平臺，用以分析所有二維和三維模式下半導體器件的直流、交流和時域相應。
在教學方式上，採用現代教育理念進行教學改革。建立教學互動性方法。建立課堂提問討論內容機制，透過提問和討論加深對理論的理解和掌握。建立課堂模擬軟體程式設計機制，透過調整程式內容實現程式設計思想的建立和深化。建立培養學生學習的主體性方法。建立問題學習模式。基於問題的學習，主要教學環節包括組織小組、開始一個新問題、後續行動、行動彙報、問題後反思五個環節。在實施基於問題的學習的教學過程中，以設計某種技術引數的微電子器件為問題，學生透過查閱相關資料和運用所學的微電子器件理論進行設計模擬，組織研討，最後以書面報告和口頭報告的形式完成學習任務。建立知識的建構性。將該課程中的二極體、三極體和場效電晶體原理的內在聯絡建立起來，透過做題和模擬設計提高應用水平。指導學生的學習策略，讓學生探索並掌握特定的學習過程，形成自己特有的學習方式。
在課堂教學中，以講授理論為主。典型理論推導過程詳細講解，而類似推導留給學生課後自學。理論重點是公式結果的'討論，明確公式的使用範圍。“微電子器件基礎”理論體系的特點是公式適用範圍的界定。比如：大注入與小注入、高電平與低電平、薄基區與厚基區、溝道與短溝道等的不同條件下，使用的計算公式不同。因此，重點講解公式的應用範圍和相關習題，透過習題練習，使學生加深對公式適用範圍的理解和掌握。
在課堂教學中，為了加深學生理論理解和掌握模擬技術，講授微電子器件模擬軟體典型程式。採用Silvaco TCAD軟體設計典型器件結構，並將這種結構電學引數的理論計算結果與模擬結果對比討論，使學生掌握設計基本方法，為學生完成課外設計作業打下基礎。
在課外環節中，安排課後習題作業和模擬設計作業。將學生分成若干小組完成軟體模擬任務，定期在課上以小組為單位進行模擬演示，將結果好壞作為平時成績考核指標之一。透過這種方式，培養了學生合作精神，提高了學生的創新能力和模擬軟體設計能力。
為了實現模擬設計貫穿教學全過程，設計了較全面的針對各章節的模擬程式，主要為二極體、雙極性電晶體和場效電晶體的結構設計和引數計算及模擬。計算和模擬二極體引數包括：勢壘寬度、內建電勢差、能帶圖和結電容等。計算和模擬雙極型電晶體引數包括：共基極直流短路電流放大係數、共發射極直流短路電流係數、發射區注入效率、基區輸運係數、共基極和共發射極雪崩擊穿電壓、共基極和共發射極輸出特性曲線、發射結和集電結電容、能帶分佈圖等。計算和模擬場效電晶體引數包括：閾值電壓、柵氧化層電容、CV特性曲線、擊穿電壓、源漏穿通電壓、輸入特性曲線和輸出特性曲線等。
三、實驗內容改革
對於微電子器件生產企業，電晶體圖示儀是最常使用的儀器，所以熟悉電晶體圖示儀的使用方法十分重要。微電子器件是採用擴散、氧化和離子注入等工藝生產的。將工藝模擬軟體ATHENA和器件模擬軟體ATLAS結合設計器件結構和引數模擬，能夠使學生具備全面的微電子器件模擬設計能力。
本課程實驗將原有實驗內容擴充套件和深化，改革後的實驗內容是採用電晶體圖示儀測試二極體、雙極型電晶體和場效電晶體的特性引數，使用微電子工藝和器件模擬軟體設計一個雙極型電晶體和一個場效電晶體的結構及引數模擬。
在做微電子器件測試實驗前，讓學生預習，寫預習報告。給定測試器件型號，讓學生上網獲得器件引數。在實驗過程中掌握電晶體圖示儀使用方法，將測試結果與廠家產品引數對比討論。在做器件模擬設計實驗室前，提供給學生器件結構，讓學生做好預習，編寫模擬程式。實驗時，讓學生將自己編寫程式演示比較，教師根據程式實現的功能給分，評定實驗成績。
四、結語
透過兩年的教改實踐，獲得良好的效果。學生透過“微電子器件基礎”的課程學習，掌握了二極體、雙極型電晶體和場效電晶體的工作原理和工作特性，能夠運用微電子器件模擬軟體設計器件結構並模擬引數，掌握了微電子器件的引數測試方法。培養了學生學習的主動性、創造性和團結合作精神，成功地將現代教育理念應用於“微電子器件”的教學。學生就業後，技術水平和勤奮精神得到用人單位的好評。