“微电子器件基础”课程的现代教学理念改革研究

　　本文提出应基于“微电子器件基础”课程的内容特点和教学实际，根据微电子行业对人才要求改革教学目标。采用现代教学理念，将微电子器件设计仿真与理论计算紧密结合在“微电子器件基础”教学体系中，旨在培养学生的创新能力与器件设计能力。教学实践表明，教学改革调动了学生的积极性，提高了其微电子器件设计能力，教学效果良好。

　　“微电子器件基础”课程的主要内容是半导体器件基本方程、PN结二极管、双极结型晶体管和绝缘栅场效应晶体管的基本原理和工作特性，包括直流、功率、频率、开关、噪声等特性以及器件的SPICE模型。该课程是电子科学与技术专业及相关专业的专业基础课和核心课程。由于课程具有理论性强的特点，教学中，很多学生感到比较枯燥，理解难度大，理论与实践联系不紧密。为了解决上述问题，一些教师开展了教学改革实践。如：通过将多媒体与传统的板书在实际的教学过程中成功地结合起来，提高了教学效率，改善了教学效果;通过双语教学课程改革的构想与实践，为微电子学专业人才培养提供一条新的思路;通过课程设计强化和巩固学生对理论知识的学习;以网络教学平台为依托、以课堂小组讨论为形式创新实践了研究性教学模式，大大激发了学生的兴趣，调动了学生的主观能动性。上述方法教学改革效果明显，但在教学理念方面改革较少。

　　本文采用现代教学理念，将微电子器件仿真设计贯穿整个教学活动，在提高学生兴趣和掌握理论的基础上，使学生具备应用微电子器件仿真软件设计器件的能力。

　　一、教学目标改革

　　教学目标是教学效果的关键因素。“微电子器件基础”是处于理科与工科交界的课程，特点是公式推导多，理论体系很完善。教学存在主要问题是学生理解较难，理论与实践衔接不好。主要原因是该课程通常的培养目标是掌握微电子器件基本理论和基本器件参数测试技术，缺乏伴随教学的实践内容，学生的主动性和创造性不能充分发挥。因此，应该采用现代教学理念进行教学目标改革。

　　微电子产业是我国重点发展的行业，前景广阔，人才需求较多。由于微电子技术进步迅速，对人才知识结构和能力要求很高。这就需要教学以社会需求为中心进行教学改革，提高学生的竞争力。

　　当前，微电子器件行业的产品设计流程分为软件仿真设计、投片和测试三个步骤，循环往复直至到达到指标要求。用人单位对于电子科学与技术专业本科毕业生的要求是掌握微电子理论，具备良好的外语水平和微电子仿真软件应用能力。作为核心课程之一的“微电子器件基础”原有的培养目标已经不能满足当前行业的人才要求，因此，将培养微电子仿真软件设计技能作为目标之一是十分必要的。

　　对于现代教学理念的实施，核心问题是如何找到一个将教学的互动性、学生的主体性和知识建构性有机结合的载体，也就是找到适合理论应用和适合教学的实践活动。“微电子器件基础”课程主要论述的是半导体器件的结构特点和性能参数，重点是器件研制而不是应用，因此，该课程合适的实践活动是研制半导体器件。研制半导体器件教学实践主要有三种方法，分别是实际制造、仿真设计和理论计算设计。实际制造需要很高的费用和较长的时间，作为一个集中实践环节比较适合。理论计算设计能够将本课程中各部分内容紧密结合，提高学生的理论水平，但该方法的缺点是没有验证性和趣味性，较难调动学生的积极性。仿真设计采用半导体器件仿真软件通过编写程序设计器件结构和结果验证，具有费用低、趣味性强和符合行业人才需求的特点，非常适合作为现代教学理念实施的载体。因此，将培养微电子仿真软件设计技能作为目标之一是切实可行的。

　　二、教学内容和方式改革

　　我们根据修改的培养目标，对“微电子器件基础”课程进行了内容的调整。在理论体系上为保留原来的半导体器件基本方程、PN结二极管、双极结型晶体管和绝缘栅场效应晶体管的基本原理和工作特性以及器件的SPICE模型。实验内容为二极管、三极管和场效应管的参数测试和Medici仿真软件程序设计。增加微电子器件仿真设计内容，并且贯穿整个教学过程。

　　微电子工艺仿真以及器件模拟工具软件的英文缩写是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ys公司的TCAD工具命名为Sentaurus。

　　本文采用的是Silvaco公司的Athena和Atlas仿真软件，主要原因是软件具有功能完善、行业应用度高和安装方便的优点。工艺模拟软件ATHENA能帮助工艺开发和优化半导体制造工艺。ATHENA能对所有的关键制造步骤(离子注入、扩散、刻蚀、淀积、光刻以及氧化等)进行快速精确的模拟。它通过模拟取代了耗费成本的硅片实验，可缩短开发周期和提高成品率。ATLAS器件仿真系统可以模拟半导体器件的电学、光学和热学行为。ATLAS提供一个基于物理的、使用简便的模块化的可扩展平台，用以分析所有二维和三维模式下半导体器件的直流、交流和时域相应。

　　在教学方式上，采用现代教育理念进行教学改革。建立教学互动性方法。建立课堂提问讨论内容机制，通过提问和讨论加深对理论的理解和掌握。建立课堂仿真软件编程机制，通过调整程序内容实现编程思想的建立和深化。建立培养学生学习的主体性方法。建立问题学习模式。基于问题的学习，主要教学环节包括组织小组、开始一个新问题、后续行动、行动汇报、问题后反思五个环节。在实施基于问题的学习的教学过程中，以设计某种技术参数的微电子器件为问题，学生通过查阅相关资料和运用所学的微电子器件理论进行设计仿真，组织研讨，最后以书面报告和口头报告的形式完成学习任务。建立知识的建构性。将该课程中的二极管、三极管和场效应管原理的内在联系建立起来，通过做题和仿真设计提高应用水平。指导学生的学习策略，让学生探索并掌握特定的学习过程，形成自己特有的学习方式。

　　在课堂教学中，以讲授理论为主。典型理论推导过程详细讲解，而类似推导留给学生课后自学。理论重点是公式结果的讨论，明确公式的使用范围。“微电子器件基础”理论体系的特点是公式适用范围的界定。比如：大注入与小注入、高电平与低电平、薄基区与厚基区、沟道与短沟道等的不同条件下，使用的计算公式不同。因此，重点讲解公式的应用范围和相关习题，通过习题练习，使学生加深对公式适用范围的理解和掌握。

　　在课堂教学中，为了加深学生理论理解和掌握仿真技术，讲授微电子器件仿真软件典型程序。采用Silvaco TCAD软件设计典型器件结构，并将这种结构电学参数的理论计算结果与仿真结果对比讨论，使学生掌握设计基本方法，为学生完成课外设计作业打下基础。

　　在课外环节中，安排课后习题作业和仿真设计作业。将学生分成若干小组完成软件仿真任务，定期在课上以小组为单位进行仿真演示，将结果好坏作为平时成绩考核指标之一。通过这种方式，培养了学生合作精神，提高了学生的创新能力和仿真软件设计能力。

　　为了实现仿真设计贯穿教学全过程，设计了较全面的针对各章节的仿真程序，主要为二极管、双极性晶体管和场效应管的结构设计和参数计算及仿真。计算和仿真二极管参数包括：势垒宽度、内建电势差、能带图和结电容等。计算和仿真双极型晶体管参数包括：共基极直流短路电流放大系数、共发射极直流短路电流系数、发射区注入效率、基区输运系数、共基极和共发射极雪崩击穿电压、共基极和共发射极输出特性曲线、发射结和集电结电容、能带分布图等。计算和仿真场效应管参数包括：阈值电压、栅氧化层电容、CV特性曲线、击穿电压、源漏穿通电压、输入特性曲线和输出特性曲线等。

　　三、实验内容改革

　　对于微电子器件生产企业，晶体管图示仪是最常使用的仪器，所以熟悉晶体管图示仪的使用方法十分重要。微电子器件是采用扩散、氧化和离子注入等工艺生产的。将工艺仿真软件ATHENA和器件仿真软件ATLAS结合设计器件结构和参数仿真，能够使学生具备全面的微电子器件仿真设计能力。

　　本课程实验将原有实验内容扩展和深化，改革后的实验内容是采用晶体管图示仪测试二极管、双极型晶体管和场效应管的特性参数，使用微电子工艺和器件仿真软件设计一个双极型晶体管和一个场效应管的结构及参数仿真。

　　在做微电子器件测试实验前，让学生预习，写预习报告。给定测试器件型号，让学生上网获得器件参数。在实验过程中掌握晶体管图示仪使用方法，将测试结果与厂家产品参数对比讨论。在做器件仿真设计实验室前，提供给学生器件结构，让学生做好预习，编写仿真程序。实验时，让学生将自己编写程序演示比较，教师根据程序实现的功能给分，评定实验成绩。

　　四、结语

　　通过两年的教改实践，获得良好的效果。学生通过“微电子器件基础”的课程学习，掌握了二极管、双极型晶体管和场效应管的工作原理和工作特性，能够运用微电子器件仿真软件设计器件结构并仿真参数，掌握了微电子器件的参数测试方法。培养了学生学习的主动性、创造性和团结合作精神，成功地将现代教育理念应用于“微电子器件”的教学。学生就业后，技术水平和勤奋精神得到用人单位的好评。

　　作者：王健　李靠天 来源：教育教学论坛 2015年3期