微電子器件實驗教學(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，筆者對傳統(tǒng)實驗教學(xué)進(jìn)行了改革，引入TCAD仿真軟件進(jìn)行實驗教學(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家重點(diǎn)實驗中山分室，了解有機(jī)器件的制備測試流程。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：綜合性實驗；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)綜合實驗的課程目的是讓電子與科學(xué)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生通過實驗加深對半導(dǎo)體器件物理與工藝的理解，通過實驗教學(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，工藝條件對器件結(jié)構(gòu)性能的影響，器件結(jié)構(gòu)對器件電學(xué)，光學(xué)性能的影響。實驗課程的開展可以有效提高學(xué)生對微電子器件理論課程的學(xué)習(xí)理解，為設(shè)計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)實驗課程設(shè)置以驗證性實驗為主，實驗簡單，實驗設(shè)備少，不利于開展綜合型實驗，也不利于學(xué)生更深入的學(xué)習(xí)理解課程內(nèi)容。因此，對傳統(tǒng)的實驗項目進(jìn)行改革是極具意義的。

一、傳統(tǒng)實驗項目及學(xué)時改革

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

二、TCAD仿真軟件的應(yīng)用

為了提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力，筆者在原來傳統(tǒng)實驗的基礎(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)院的開放性實驗平臺和課程設(shè)計平臺進(jìn)行的。開放性實驗學(xué)時比較充足，筆者可以從基本語法、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)時的實驗教學(xué)完成了TCAD單項工藝部分教學(xué)。微電子實驗課程TCAD部分教學(xué)只用8個學(xué)時完成軟件環(huán)境，基礎(chǔ)語法教學(xué)和單項工藝（離子注入、擴(kuò)散、刻蝕、外延、淀積等）重復(fù)教學(xué)。16學(xué)時完成N型場效應(yīng)晶體管及PIN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，電學(xué)、光學(xué)仿真[3]。微電子綜合實驗的教學(xué)為學(xué)生進(jìn)一步的器件跟電路設(shè)計做好了準(zhǔn)備，部分學(xué)生可以利用課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計平臺等翻轉(zhuǎn)課堂模式，更深入全面的學(xué)習(xí)相關(guān)知識。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)對器件電學(xué)、光學(xué)性能的影響，相對于傳統(tǒng)的驗證性實驗，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)項目及學(xué)時安排，后續(xù)可以根據(jù)實際應(yīng)用情況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。

三、開展課外實踐教學(xué)

學(xué)院近兩年建立了電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實驗中山分室。筆者在實驗過程中，會分批次請學(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)測量儀器的使用方法，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）測量方法及物理意義，觀察有機(jī)薄膜形貌，測量有機(jī)薄膜厚度等。學(xué)生可以很明確的知道理論教學(xué)對實踐的指導(dǎo)意義，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)提供了更廣闊的平臺。微電子學(xué)綜合實驗的改革，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)時的不足，在傳統(tǒng)驗證性實驗基礎(chǔ)上，引入綜合設(shè)計性實驗項目，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．微電子綜合實驗講義[D].廣東：電子科技大學(xué)中山學(xué)院電子信息學(xué)院，2013．

[2]唐龍骨．半導(dǎo)體工藝和器件仿真軟件SilvacoTCAD實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014．

[3]高云，楊維明，葉蔥，等．微電子器件與工藝模擬實驗講義[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．新型場效應(yīng)晶體管的研究與制備[D].北京：中國科學(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