微電子器件基礎(chǔ)課程的現(xiàn)代教學(xué)理念改革研究論文
本文提出應(yīng)基于“微電子器件基礎(chǔ)”課程的內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)際，根據(jù)微電子行業(yè)對(duì)人才要求改革教學(xué)目標(biāo)。采用現(xiàn)代教學(xué)理念，將微電子器件設(shè)計(jì)仿真與理論計(jì)算緊密結(jié)合在“微電子器件基礎(chǔ)”教學(xué)體系中，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與器件設(shè)計(jì)能力。教學(xué)實(shí)踐表明，教學(xué)改革調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，提高了其微電子器件設(shè)計(jì)能力，教學(xué)效果良好。
“微電子器件基礎(chǔ)”課程的主要內(nèi)容是半導(dǎo)體器件基本方程、PN結(jié)二極管、雙極結(jié)型晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本原理和工作特性，包括直流、功率、頻率、開關(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)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和核心課程。由于課程具有理論性強(qiáng)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。為了解決上述問題，一些教師開展了教學(xué)改革實(shí)踐。如：通過將多媒體與傳統(tǒng)的板書在實(shí)際的教學(xué)過程中成功地結(jié)合起來，提高了教學(xué)效率，改善了教學(xué)效果;通過雙語教學(xué)課程改革的構(gòu)想與實(shí)踐，為微電子學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)提供一條新的思路;通過課程設(shè)計(jì)強(qiáng)化和鞏固學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí);以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)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(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(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(xiàn)代教學(xué)理念，將微電子器件仿真設(shè)計(jì)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(chǔ)上，使學(xué)生具備應(yīng)用微電子器件仿真軟件設(shè)計(jì)器件的能力。
一、教學(xué)目標(biāo)改革
教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。“微電子器件基礎(chǔ)”是處于理科與工科交界的課程，特點(diǎn)是公式推導(dǎo)多，理論體系很完善。教學(xué)存在主要問題是學(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(yǎng)目標(biāo)是掌握微電子器件基本理論和基本器件參數(shù)測(cè)試技術(shù)，缺乏伴隨教學(xué)的實(shí)踐內(nèi)容，學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性不能充分發(fā)揮。因此，應(yīng)該采用現(xiàn)代教學(xué)理念進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)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(duì)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)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(jìng)爭(zhēng)力。
當(dāng)前，微電子器件行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程分為軟件仿真設(shè)計(jì)、投片和測(cè)試三個(gè)步驟，循環(huán)往復(fù)直至到達(dá)到指標(biāo)要求。用人單位對(duì)于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)生的要求是掌握微電子理論，具備良好的外語水平和微電子仿真軟件應(yīng)用能力。作為核心課程之一的“微電子器件基礎(chǔ)”原有的培養(yǎng)目標(biāo)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前行業(yè)的人才要求，因此，將培養(yǎng)微電子仿真軟件設(shè)計(jì)技能作為目標(biāo)之一是十分必要的。
對(duì)于現(xiàn)代教學(xué)理念的實(shí)施，核心問題是如何找到一個(gè)將教學(xué)的互動(dòng)性、學(xué)生的主體性和知識(shí)建構(gòu)性有機(jī)結(jié)合的載體，也就是找到適合理論應(yīng)用和適合教學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)。“微電子器件基礎(chǔ)”課程主要論述的是半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能參數(shù)，重點(diǎn)是器件研制而不是應(yīng)用，因此，該課程合適的實(shí)踐活動(dòng)是研制半導(dǎo)體器件。研制半導(dǎo)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(shè)計(jì)和理論計(jì)算設(shè)計(jì)。實(shí)際制造需要很高的費(fèi)用和較長(zhǎng)的時(shí)間，作為一個(gè)集中實(shí)踐環(huán)節(jié)比較適合。理論計(jì)算設(shè)計(jì)能夠?qū)⒈菊n程中各部分內(nèi)容緊密結(jié)合，提高學(xué)生的理論水平，但該方法的缺點(diǎn)是沒有驗(yàn)證性和趣味性，較難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。仿真設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體器件仿真軟件通過編寫程序設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)和結(jié)果驗(yàn)證，具有費(fèi)用低、趣味性強(qiáng)和符合行業(yè)人才需求的特點(diǎn)，非常適合作為現(xiàn)代教學(xué)理念實(shí)施的載體。因此，將培養(yǎng)微電子仿真軟件設(shè)計(jì)技能作為目標(biāo)之一是切實(shí)可行的。
二、教學(xué)內(nèi)容和方式改革
我們根據(jù)修改的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)“微電子器件基礎(chǔ)”課程進(jìn)行了內(nèi)容的調(diào)整。在理論體系上為保留原來的半導(dǎo)體器件基本方程、PN結(jié)二極管、雙極結(jié)型晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本原理和工作特性以及器件的SPICE模型。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)測(cè)試和Medici仿真軟件程序設(shè)計(jì)。增加微電子器件仿真設(shè)計(jì)內(nèi)容，并且貫穿整個(gè)教學(xué)過程。
微電子工藝仿真以及器件模擬工具軟件的英文縮寫是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仿真軟件，主要原因是軟件具有功能完善、行業(yè)應(yīng)用度高和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。工藝模擬軟件ATHENA能幫助工藝開發(fā)和優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝。ATHENA能對(duì)所有的關(guān)鍵制造步驟(離子注入、擴(kuò)散、刻蝕、淀積、光刻以及氧化等)進(jìn)行快速精確的模擬。它通過模擬取代了耗費(fèi)成本的硅片實(shí)驗(yàn)，可縮短開發(fā)周期和提高成品率。ATLAS器件仿真系統(tǒng)可以模擬半導(dǎo)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(kuò)展平臺(tái)，用以分析所有二維和三維模式下半導(dǎo)體器件的直流、交流和時(shí)域相應(yīng)。
在教學(xué)方式上，采用現(xiàn)代教育理念進(jìn)行教學(xué)改革。建立教學(xué)互動(dòng)性方法。建立課堂提問討論內(nèi)容機(jī)制，通過提問和討論加深對(duì)理論的理解和掌握。建立課堂仿真軟件編程機(jī)制，通過調(diào)整程序內(nèi)容實(shí)現(xiàn)編程思想的建立和深化。建立培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性方法。建立問題學(xué)習(xí)模式。基于問題的學(xué)習(xí)，主要教學(xué)環(huán)節(jié)包括組織小組、開始一個(gè)新問題、后續(xù)行動(dòng)、行動(dòng)匯報(bào)、問題后反思五個(gè)環(huán)節(jié)。在實(shí)施基于問題的學(xué)習(xí)的教學(xué)過程中，以設(shè)計(jì)某種技術(shù)參數(shù)的微電子器件為問題，學(xué)生通過查閱相關(guān)資料和運(yùn)用所學(xué)的微電子器件理論進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，組織研討，最后以書面報(bào)告和口頭報(bào)告的形式完成學(xué)習(xí)任務(wù)。建立知識(shí)的建構(gòu)性。將該課程中的二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管原理的內(nèi)在聯(lián)系建立起來，通過做題和仿真設(shè)計(jì)提高應(yīng)用水平。指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)策略，讓學(xué)生探索并掌握特定的學(xué)習(xí)過程，形成自己特有的學(xué)習(xí)方式。
在課堂教學(xué)中，以講授理論為主。典型理論推導(dǎo)過程詳細(xì)講解，而類似推導(dǎo)留給學(xué)生課后自學(xué)。理論重點(diǎn)是公式結(jié)果的'討論，明確公式的使用范圍。“微電子器件基礎(chǔ)”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(qū)與厚基區(qū)、溝道與短溝道等的不同條件下，使用的計(jì)算公式不同。因此，重點(diǎn)講解公式的應(yīng)用范圍和相關(guān)習(xí)題，通過習(xí)題練習(xí)，使學(xué)生加深對(duì)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(shè)計(jì)典型器件結(jié)構(gòu)，并將這種結(jié)構(gòu)電學(xué)參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比討論，使學(xué)生掌握設(shè)計(jì)基本方法，為學(xué)生完成課外設(shè)計(jì)作業(yè)打下基礎(chǔ)。
在課外環(huán)節(jié)中，安排課后習(xí)題作業(yè)和仿真設(shè)計(jì)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(jié)果好壞作為平時(shí)成績(jī)考核指標(biāo)之一。通過這種方式，培養(yǎng)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(shè)計(jì)能力。
為了實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)貫穿教學(xué)全過程，設(shè)計(jì)了較全面的針對(duì)各章節(jié)的仿真程序，主要為二極管、雙極性晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算及仿真。計(jì)算和仿真二極管參數(shù)包括：勢(shì)壘寬度、內(nèi)建電勢(shì)差、能帶圖和結(jié)電容等。計(jì)算和仿真雙極型晶體管參數(shù)包括：共基極直流短路電流放大系數(shù)、共發(fā)射極直流短路電流系數(shù)、發(fā)射區(qū)注入效率、基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)、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、發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容、能帶分布圖等。計(jì)算和仿真場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革
對(duì)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(kuò)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(jié)合設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)仿真，能夠使學(xué)生具備全面的微電子器件仿真設(shè)計(jì)能力。
本課程實(shí)驗(yàn)將原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容擴(kuò)展和深化，改革后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是采用晶體管圖示儀測(cè)試二極管、雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的特性參數(shù)，使用微電子工藝和器件仿真軟件設(shè)計(jì)一個(gè)雙極型晶體管和一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及參數(shù)仿真。
在做微電子器件測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，讓學(xué)生預(yù)習(xí)，寫預(yù)習(xí)報(bào)告。給定測(cè)試器件型號(hào)，讓學(xué)生上網(wǎng)獲得器件參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中掌握晶體管圖示儀使用方法，將測(cè)試結(jié)果與廠家產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比討論。在做器件仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室前，提供給學(xué)生器件結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生做好預(yù)習(xí)，編寫仿真程序。實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓學(xué)生將自己編寫程序演示比較，教師根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)的功能給分，評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。
四、結(jié)語
通過兩年的教改實(shí)踐，獲得良好的效果。學(xué)生通過“微電子器件基礎(chǔ)”的課程學(xué)習(xí)，掌握了二極管、雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理和工作特性，能夠運(yùn)用微電子器件仿真軟件設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)并仿真參數(shù)，掌握了微電子器件的參數(shù)測(cè)試方法。培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性和團(tuán)結(jié)合作精神，成功地將現(xiàn)代教育理念應(yīng)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(píng)。
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