微電子器件實驗教學改革

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摘要：

微電子器件作為電子科學與技術(shù)專業(yè)的核心課程，是學生學習理解后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。為了符合學院應用型人才培養(yǎng)模式的需求，筆者對傳統(tǒng)實驗教學進行了改革，引入TCAD仿真軟件進行實驗教學，學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，光學性能的影響；帶學生參觀電子薄膜與集成器件國家重點實驗中山分室，了解有機器件的制備測試流程。微視頻，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的引入，不僅提高了學生主動學習課程的積極性，也促進學生更好的理解課程的理論教學內(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；有機器件

引言

微電子學綜合實驗的課程目的是讓電子與科學技術(shù)專業(yè)的學生通過實驗加深對半導體器件物理與工藝的理解，通過實驗教學，深入理解半導體材料的物理特性，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，光學性能的影響。實驗課程的開展可以有效提高學生對微電子器件理論課程的學習理解，為設(shè)計具有特定功能的器件和電路準備條件。學院目前傳統(tǒng)的微電子學實驗課程設(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，也不利于學生更深入的學習理解課程內(nèi)容。因此，對傳統(tǒng)的實驗項目進行改革是極具意義的。

一、傳統(tǒng)實驗項目及學時改革

微電子學綜合實驗授課學時40學時，共有10個實驗項目。傳統(tǒng)實驗目的是幫助學生進一步掌握半導體材料的壽命、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)實驗教學對學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個學生循環(huán)使用，學生不能充分利用實驗學時。因此，筆者經(jīng)過反復教學嘗試，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，每個實驗項目學時縮短到2個學時。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，學生容易遺忘，教師需要反復講解，沒有太多時間給學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，上傳至學院數(shù)字化平臺供學生下載預習，上課的時候利用多媒體循環(huán)播放，這樣學生就可以根據(jù)視頻教學完成實驗內(nèi)容，筆者也有足夠的時間為學生解答實驗過程中的疑難問題。教學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時，作者可以利用剩下的24學時開設(shè)TCAD仿真實驗項目。

二、TCAD仿真軟件的應用

為了提高學生的綜合設(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，TCAD的引入筆者也是逐步實現(xiàn)的。由于TCAD教學有一定難度，為了考察學生的接受程度，筆者開始是借助學院的開放性實驗平臺和課程設(shè)計平臺進行的。開放性實驗學時比較充足，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[2]，學生基本能掌握器件設(shè)計仿真流程。學院開設(shè)了集成電路工藝基礎(chǔ)課程，集成電路工藝基礎(chǔ)16學時的實驗教學完成了TCAD單項工藝部分教學。微電子實驗課程TCAD部分教學只用8個學時完成軟件環(huán)境，基礎(chǔ)語法教學和單項工藝（離子注入、擴散、刻蝕、外延、淀積等）重復教學。16學時完成N型場效應晶體管及PIN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，電學、光學仿真[3]。微電子綜合實驗的教學為學生進一步的器件跟電路設(shè)計做好了準備，部分學生可以利用課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計平臺等翻轉(zhuǎn)課堂模式，更深入全面的學習相關(guān)知識。TCAD的引入，學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、光學性能的影響，相對于傳統(tǒng)的驗證性實驗，學生學習興趣更為濃厚，教學效果也明顯提高。TCAD教學項目及學時安排，后續(xù)可以根據(jù)實際應用情況調(diào)整教學內(nèi)容。

三、開展課外實踐教學

學院近兩年建立了電子薄膜與集成器件國家重點實驗中山分室。筆者在實驗過程中，會分批次請學生參與到有機器件的制備過程中，讓學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，光學測量儀器的使用方法，掌握器件電學參數(shù)（遷移率、溝道電阻、電流開關(guān)比、閾值電壓、擊穿電壓等[4]），器件光學參數(shù)（光強、光譜、透光率等）測量方法及物理意義，觀察有機薄膜形貌，測量有機薄膜厚度等。學生可以很明確的知道理論教學對實踐的指導意義，為學生后續(xù)學習提供了更廣闊的平臺。微電子學綜合實驗的改革，引入微視頻，翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，彌補了課堂授課學時的不足，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，不僅提高了學生的學習興趣，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

[1]陳卉，胡云峰．微電子綜合實驗講義[D].廣東：電子科技大學中山學院電子信息學院，2013．

[2]唐龍骨．半導體工藝和器件仿真軟件SilvacoTCAD實用教程[M].北京：清華大學出版社，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：湖北大學物理與電子技術(shù)學院，2015：15-38．

[4]端鵬飛．新型場效應晶體管的研究與制備[D].北京：中國科學院大學，2014：25-27

作者：陳卉 文毅 張華斌 胡云峰 單位：電子科技大學中山學院電子信息學院