微電子器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

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摘要：

微電子器件作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)理解后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。為了符合學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的需求，筆者對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，引入TCAD仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能形象直觀的了解器件的制作流程及器件制備過程中相關(guān)參數(shù)對(duì)器件電學(xué)，光學(xué)性能的影響；帶學(xué)生參觀電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中山分室，了解有機(jī)器件的制備測(cè)試流程。微視頻，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的引入，不僅提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)課程的積極性，也促進(jìn)學(xué)生更好的理解課程的理論教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：綜合性實(shí)驗(yàn)；工藝流程；器件結(jié)構(gòu)；軟件仿真；有機(jī)器件

引言

微電子學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的課程目的是讓電子與科學(xué)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)半導(dǎo)體器件物理與工藝的理解，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，深入理解半導(dǎo)體材料的物理特性，器件制備的工藝步驟，工藝條件對(duì)器件結(jié)構(gòu)性能的影響，器件結(jié)構(gòu)對(duì)器件電學(xué)，光學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)課程的開展可以有效提高學(xué)生對(duì)微電子器件理論課程的學(xué)習(xí)理解，為設(shè)計(jì)具有特定功能的器件和電路準(zhǔn)備條件。學(xué)院目前傳統(tǒng)的微電子學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，不利于開展綜合型實(shí)驗(yàn)，也不利于學(xué)生更深入的學(xué)習(xí)理解課程內(nèi)容。因此，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革是極具意義的。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)改革

微電子學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)授課學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，共有10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菐椭鷮W(xué)生進(jìn)一步掌握半導(dǎo)體材料的壽命、薄膜厚度的測(cè)試方法、測(cè)試器件的電流電壓特性、溫度特性、測(cè)量器件的開關(guān)時(shí)間、特征頻率等。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生深入理解理論課程有一定作用，實(shí)驗(yàn)設(shè)置基本以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)難度有限，不利于學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，另一方面，由于儀器設(shè)備數(shù)量限制，每臺(tái)儀器有4-5個(gè)學(xué)生循環(huán)使用，學(xué)生不能充分利用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。因此，筆者經(jīng)過反復(fù)教學(xué)嘗試，提出了如下改革方案，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依據(jù)課程的相關(guān)性調(diào)整為8個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時(shí)縮短到2個(gè)學(xué)時(shí)。為了解決儀器數(shù)量不足，每次實(shí)驗(yàn)課同時(shí)開設(shè)2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這樣每臺(tái)儀器人數(shù)可以控制在2人左右。一次課講解2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)講解時(shí)間太長(zhǎng)，學(xué)生容易遺忘，教師需要反復(fù)講解，沒有太多時(shí)間給學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)過程中遇到的疑難問題。為了解決這一問題，筆者對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原理及操作的講解錄制成微視頻，上傳至學(xué)院數(shù)字化平臺(tái)供學(xué)生下載預(yù)習(xí)，上課的時(shí)候利用多媒體循環(huán)播放，這樣學(xué)生就可以根據(jù)視頻教學(xué)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，筆者也有足夠的時(shí)間為學(xué)生解答實(shí)驗(yàn)過程中的疑難問題。教學(xué)方式的改革不僅取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，也大大縮短了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，作者可以利用剩下的24學(xué)時(shí)開設(shè)TCAD仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

二、TCAD仿真軟件的應(yīng)用

為了提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，筆者在原來(lái)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入了TCAD仿真軟件教學(xué)，TCAD的引入筆者也是逐步實(shí)現(xiàn)的。由于TCAD教學(xué)有一定難度，為了考察學(xué)生的接受程度，筆者開始是借助學(xué)院的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和課程設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行的。開放性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)比較充足，筆者可以從基本語(yǔ)法、工藝仿真、器件仿真、器件-電路混合仿真逐步教學(xué)[2]，學(xué)生基本能掌握器件設(shè)計(jì)仿真流程。學(xué)院開設(shè)了集成電路工藝基礎(chǔ)課程，集成電路工藝基礎(chǔ)16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成了TCAD單項(xiàng)工藝部分教學(xué)。微電子實(shí)驗(yàn)課程TCAD部分教學(xué)只用8個(gè)學(xué)時(shí)完成軟件環(huán)境，基礎(chǔ)語(yǔ)法教學(xué)和單項(xiàng)工藝（離子注入、擴(kuò)散、刻蝕、外延、淀積等）重復(fù)教學(xué)。16學(xué)時(shí)完成N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及PIN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電學(xué)、光學(xué)仿真[3]。微電子綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)為學(xué)生進(jìn)一步的器件跟電路設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備，部分學(xué)生可以利用課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)等翻轉(zhuǎn)課堂模式，更深入全面的學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。TCAD的引入，學(xué)生能直觀清楚的看到器件的制作流程，器件結(jié)構(gòu)對(duì)器件電學(xué)、光學(xué)性能的影響，相對(duì)于傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣更為濃厚，教學(xué)效果也明顯提高。TCAD教學(xué)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)安排，后續(xù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。

三、開展課外實(shí)踐教學(xué)

學(xué)院近兩年建立了電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中山分室。筆者在實(shí)驗(yàn)過程中，會(huì)分批次請(qǐng)學(xué)生參與到有機(jī)器件的制備過程中，讓學(xué)生直觀看到器件的制備過程，了解不同的薄膜制備工藝（真空蒸鍍法、磁控濺射、旋涂等），掌握器件電學(xué)，光學(xué)測(cè)量?jī)x器的使用方法，掌握器件電學(xué)參數(shù)（遷移率、溝道電阻、電流開關(guān)比、閾值電壓、擊穿電壓等[4]），器件光學(xué)參數(shù)（光強(qiáng)、光譜、透光率等）測(cè)量方法及物理意義，觀察有機(jī)薄膜形貌，測(cè)量有機(jī)薄膜厚度等。學(xué)生可以很明確的知道理論教學(xué)對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)提供了更廣闊的平臺(tái)。微電子學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的改革，引入微視頻，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，彌補(bǔ)了課堂授課學(xué)時(shí)的不足，在傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，引入綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)具備一定器件及電路設(shè)計(jì)能力人才提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳卉，胡云峰．微電子綜合實(shí)驗(yàn)講義[D].廣東：電子科技大學(xué)中山學(xué)院電子信息學(xué)院，2013．

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[3]高云，楊維明，葉蔥，等．微電子器件與工藝模擬實(shí)驗(yàn)講義[D].武漢：湖北大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院，2015：15-38．

[4]端鵬飛．新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究與制備[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2014：25-27

作者：陳卉 文毅 張華斌 胡云峰 單位：電子科技大學(xué)中山學(xué)院電子信息學(xué)院