微電子器件基礎課程的現代教學(xué)理念改革研究論文
本文提出應基于“微電子器件基礎”課程的內容特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)際，根據微電子行業(yè)對人才要求改革教學(xué)目標。采用現代教學(xué)理念，將微電子器件設計仿真與理論計算緊密結合在“微電子器件基礎”教學(xué)體系中，旨在培養學(xué)生的創(chuàng )新能力與器件設計能力。教學(xué)實(shí)踐表明，教學(xué)改革調動(dòng)了學(xué)生的積極性，提高了其微電子器件設計能力，教學(xué)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結二極管、雙極結型晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應晶體管的基本原理和工作特性，包括直流、功率、頻率、開(kāi)關(guān)、噪聲等特性以及器件的SPICE模型。該課程是電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎課和核心課程。由于課程具有理論性強的特點(diǎn)，教學(xué)中，很多學(xué)生感到比較枯燥，理解難度大，理論與實(shí)踐聯(lián)系不緊密。為了解決上述問(wèn)題，一些教師開(kāi)展了教學(xué)改革實(shí)踐。如：通過(guò)將多媒體與傳統的板書(shū)在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中成功地結合起來(lái)，提高了教學(xué)效率，改善了教學(xué)效果;通過(guò)雙語(yǔ)教學(xué)課程改革的構想與實(shí)踐，為微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養提供一條新的思路;通過(guò)課程設計強化和鞏固學(xué)生對理論知識的學(xué)習;以網(wǎng)絡(luò )教學(xué)平臺為依托、以課堂小組討論為形式創(chuàng )新實(shí)踐了研究性教學(xué)模式，大大激發(fā)了學(xué)生的興趣，調動(dòng)了學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性。上述方法教學(xué)改革效果明顯，但在教學(xué)理念方面改革較少。
本文采用現代教學(xué)理念，將微電子器件仿真設計貫穿整個(gè)教學(xué)活動(dòng)，在提高學(xué)生興趣和掌握理論的基礎上，使學(xué)生具備應用微電子器件仿真軟件設計器件的能力。
一、教學(xué)目標改革
教學(xué)目標是教學(xué)效果的關(guān)鍵因素�！拔㈦娮悠骷A”是處于理科與工科交界的課程，特點(diǎn)是公式推導多，理論體系很完善。教學(xué)存在主要問(wèn)題是學(xué)生理解較難，理論與實(shí)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參數測試技術(shù)，缺乏伴隨教學(xué)的實(shí)踐內容，學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng )造性不能充分發(fā)揮。因此，應該采用現代教學(xué)理念進(jìn)行教學(xué)目標改革。
微電子產(chǎn)業(yè)是我國重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)，前景廣闊，人才需求較多。由于微電子技術(shù)進(jìn)步迅速，對人才知識結構和能力要求很高。這就需要教學(xué)以社會(huì )需求為中心進(jìn)行教學(xué)改革，提高學(xué)生的競爭力。
當前，微電子器件行業(yè)的產(chǎn)品設計流程分為軟件仿真設計、投片和測試三個(gè)步驟，循環(huán)往復直至到達到指標要求。用人單位對于電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)生的要求是掌握微電子理論，具備良好的外語(yǔ)水平和微電子仿真軟件應用能力。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(jīng)不能滿(mǎn)足當前行業(yè)的人才要求，因此，將培養微電子仿真軟件設計技能作為目標之一是十分必要的。
對于現代教學(xué)理念的實(shí)施，核心問(wèn)題是如何找到一個(gè)將教學(xué)的互動(dòng)性、學(xué)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(xué)的實(shí)踐活動(dòng)�！拔㈦娮悠骷A”課程主要論述的是半導體器件的結構特點(diǎn)和性能參數，重點(diǎn)是器件研制而不是應用，因此，該課程合適的實(shí)踐活動(dòng)是研制半導體器件。研制半導體器件教學(xué)實(shí)踐主要有三種方法，分別是實(shí)際制造、仿真設計和理論計算設計。實(shí)際制造需要很高的費用和較長(cháng)的時(shí)間，作為一個(gè)集中實(shí)踐環(huán)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(xué)生的理論水平，但該方法的缺點(diǎn)是沒(méi)有驗證性和趣味性，較難調動(dòng)學(xué)生的積極性。仿真設計采用半導體器件仿真軟件通過(guò)編寫(xiě)程序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(yè)人才需求的特點(diǎn)，非常適合作為現代教學(xué)理念實(shí)施的載體。因此，將培養微電子仿真軟件設計技能作為目標之一是切實(shí)可行的。
二、教學(xué)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(jìn)行了內容的調整。在理論體系上為保留原來(lái)的半導體器件基本方程、PN結二極管、雙極結型晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應晶體管的基本原理和工作特性以及器件的SPICE模型。實(shí)驗內容為二極管、三極管和場(chǎng)效應管的參數測試和Medici仿真軟件程序設計。增加微電子器件仿真設計內容，并且貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。
微電子工藝仿真以及器件模擬工具軟件的英文縮寫(xiě)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仿真軟件，主要原因是軟件具有功能完善、行業(yè)應用度高和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。工藝模擬軟件ATHENA能幫助工藝開(kāi)發(fā)和優(yōu)化半導體制造工藝。ATHENA能對所有的關(guān)鍵制造步驟(離子注入、擴散、刻蝕、淀積、光刻以及氧化等)進(jìn)行快速精確的模擬。它通過(guò)模擬取代了耗費成本的硅片實(shí)驗，可縮短開(kāi)發(fā)周期和提高成品率。ATLAS器件仿真系統可以模擬半導體器件的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)行為。ATLAS提供一個(gè)基于物理的、使用簡(jiǎn)便的模塊化的可擴展平臺，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(shí)域相應。
在教學(xué)方式上，采用現代教育理念進(jìn)行教學(xué)改革。建立教學(xué)互動(dòng)性方法。建立課堂提問(wèn)討論內容機制，通過(guò)提問(wèn)和討論加深對理論的理解和掌握。建立課堂仿真軟件編程機制，通過(guò)調整程序內容實(shí)現編程思想的建立和深化。建立培養學(xué)生學(xué)習的主體性方法。建立問(wèn)題學(xué)習模式�；趩�(wèn)題的學(xué)習，主要教學(xué)環(huán)節包括組織小組、開(kāi)始一個(gè)新問(wèn)題、后續行動(dòng)、行動(dòng)匯報、問(wèn)題后反思五個(gè)環(huán)節。在實(shí)施基于問(wèn)題的學(xué)習的教學(xué)過(guò)程中，以設計某種技術(shù)參數的微電子器件為問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)資料和運用所學(xué)的微電子器件理論進(jìn)行設計仿真，組織研討，最后以書(shū)面報告和口頭報告的形式完成學(xué)習任務(wù)。建立知識的建構性。將該課程中的二極管、三極管和場(chǎng)效應管原理的內在聯(lián)系建立起來(lái)，通過(guò)做題和仿真設計提高應用水平。指導學(xué)生的學(xué)習策略，讓學(xué)生探索并掌握特定的學(xué)習過(guò)程，形成自己特有的學(xué)習方式。
在課堂教學(xué)中，以講授理論為主。典型理論推導過(guò)程詳細講解，而類(lèi)似推導留給學(xué)生課后自學(xué)。理論重點(diǎn)是公式結果的'討論，明確公式的使用范圍�！拔㈦娮悠骷A”理論體系的特點(diǎn)是公式適用范圍的界定。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(diǎn)講解公式的應用范圍和相關(guān)習題，通過(guò)習題練習，使學(xué)生加深對公式適用范圍的理解和掌握。
在課堂教學(xué)中，為了加深學(xué)生理論理解和掌握仿真技術(shù)，講授微電子器件仿真軟件典型程序。采用Silvaco TCAD軟件設計典型器件結構，并將這種結構電學(xué)參數的理論計算結果與仿真結果對比討論，使學(xué)生掌握設計基本方法，為學(xué)生完成課外設計作業(yè)打下基礎。
在課外環(huán)節中，安排課后習題作業(yè)和仿真設計作業(yè)。將學(xué)生分成若干小組完成軟件仿真任務(wù)，定期在課上以小組為單位進(jìn)行仿真演示，將結果好壞作為平時(shí)成績(jì)考核指標之一。通過(guò)這種方式，培養了學(xué)生合作精神，提高了學(xué)生的創(chuàng )新能力和仿真軟件設計能力。
為了實(shí)現仿真設計貫穿教學(xué)全過(guò)程，設計了較全面的針對各章節的仿真程序，主要為二極管、雙極性晶體管和場(chǎng)效應管的結構設計和參數計算及仿真。計算和仿真二極管參數包括：勢壘寬度、內建電勢差、能帶圖和結電容等。計算和仿真雙極型晶體管參數包括：共基極直流短路電流放大系數、共發(fā)射極直流短路電流系數、發(fā)射區注入效率、基區輸運系數、共基極和共發(fā)射極雪崩擊穿電壓、共基極和共發(fā)射極輸出特性曲線(xiàn)、發(fā)射結和集電結電容、能帶分布圖等。計算和仿真場(chǎng)效應管參數包括：閾值電壓、柵氧化層電容、CV特性曲線(xiàn)、擊穿電壓、源漏穿通電壓、輸入特性曲線(xiàn)和輸出特性曲線(xiàn)等。
三、實(shí)驗內容改革
對于微電子器件生產(chǎn)企業(yè)，晶體管圖示儀是最常使用的儀器，所以熟悉晶體管圖示儀的使用方法十分重要。微電子器件是采用擴散、氧化和離子注入等工藝生產(chǎn)的。將工藝仿真軟件ATHENA和器件仿真軟件ATLAS結合設計器件結構和參數仿真，能夠使學(xué)生具備全面的微電子器件仿真設計能力。
本課程實(shí)驗將原有實(shí)驗內容擴展和深化，改革后的實(shí)驗內容是采用晶體管圖示儀測試二極管、雙極型晶體管和場(chǎng)效應管的特性參數，使用微電子工藝和器件仿真軟件設計一個(gè)雙極型晶體管和一個(gè)場(chǎng)效應管的結構及參數仿真。
在做微電子器件測試實(shí)驗前，讓學(xué)生預習，寫(xiě)預習報告。給定測試器件型號，讓學(xué)生上網(wǎng)獲得器件參數。在實(shí)驗過(guò)程中掌握晶體管圖示儀使用方法，將測試結果與廠(chǎng)家產(chǎn)品參數對比討論。在做器件仿真設計實(shí)驗室前，提供給學(xué)生器件結構，讓學(xué)生做好預習，編寫(xiě)仿真程序。實(shí)驗時(shí)，讓學(xué)生將自己編寫(xiě)程序演示比較，教師根據程序實(shí)現的功能給分，評定實(shí)驗成績(jì)。
四、結語(yǔ)
通過(guò)兩年的教改實(shí)踐，獲得良好的效果。學(xué)生通過(guò)“微電子器件基礎”的課程學(xué)習，掌握了二極管、雙極型晶體管和場(chǎng)效應管的工作原理和工作特性，能夠運用微電子器件仿真軟件設計器件結構并仿真參數，掌握了微電子器件的參數測試方法。培養了學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性、創(chuàng )造性和團結合作精神，成功地將現代教育理念應用于“微電子器件”的教學(xué)。學(xué)生就業(yè)后，技術(shù)水平和勤奮精神得到用人單位的好評。
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