“微电子器件”课程的教学研究与探索
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摘 要：“微电子器件”课程是电子科学与技术专业的一门重要课程。该课程主要讲述各种微电子器件的结构原理、特性及特殊效应等，不仅涵盖内容广泛，还存在物理概念抽象、复杂数学公式推导计算等特点，教学难度较大。针对这些问题，结合电子科学与技术专业人才培养需求，本文对“微电子器件”课程进行教学研究与探索，推动课程教学内容优化、改进教学方法、激发学习兴趣、培养学生创新能力，以适应微电子行业快速的技术更新。
关键词：微电子器件 教学研究 電子科学与技术 教学改革
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0212-02
随着全球信息化进程的高速发展，微电子技术已成为当代发展最快的技术之一。微电子技术的发展和应用，大大推动了航天航空技术、遥测传感技术、通信技术、计算机技术及网络技术等产业的迅猛发展，被誉为现代电子信息产业的心脏和高科技的原动力，对国民经济和社会发展具有十分重要的意义。尤其是去年的“中兴”事件也表明：要促进我国高科技信息技术的发展，就必须掌握研制高性能微电子器件的核心技术，制造出属于我们自己的芯片。如今，微电子技术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。
“微电子器件”课程是我校电子科学与技术专业的一门重要课程，其在“模拟电子技术”、“半导体物理”等课程基础上，进一步系统地阐述微电子器件的结构原理、基本特性及特殊效应等内容。同时也是学生学习后续“集成电路设计”、“高频电子技术”和“半导体测试技术”等课程的基础[1-2]。这使“微电子器件”课程在整个专业课程体系中起到承上启下的作用，在我校电子科学与技术专业本科人才培养体系中占据非常重要的位置。然而，该课程涉及的内容极其广泛，而且还存在物理概念抽象以及公式繁复等特点，对于学生来说，在学习过程中存在一定的难度。同时，微电子技术的不断发展、知识快速更新也对本专业学生提出了更高的要求。因此，无论从学科专业建设，还是从微电子产业发展和人才需求战略角度，“微电子器件”课程的教学研究都非常必要。
1 课程教学改革背景
我校电子科学与技术专业前身是电子信息科学与技术专业，从1990年开始招收电子信息科学与技术专业本科生，下设有集成电路技术方向。随着全球化电子信息产业的飞速发展，对电子科学与技术专业的人才需求在近年来呈持续快速增长趋势。2015年开始招生电子科学与技术专业。“微电子器件”一直是该专业核心课程。在早期刚开设该门课的时候，设置48个理论学时，早期设置的该课程不仅介绍了一些常用的微电子器件的结构原理，还对后续的集成电路设计基础部分进行了初步探讨。经过教学实践之后，发现该课程存在如下主要问题：（1）课程涵盖内容广泛既有器件方面内容，又有集成电路设计内容，48个学时远远不够，学生看似学了很多，但都是皮毛，没有深入，教学效果不理想;（2）介绍的集成电路设计部分内容和后续专业课程“集成专业设计原理”有重复，让学生觉得有点乏味;（3）由于课程涉及很多抽象、晦涩的物理概念，导致学生在课程学习后不知如何与实际应用相联系。针对上述问题，结合电子科学与技术专业人才培养需求，我们对“微电子器件”课程的教学内容和教学方法等方面进行教学改革的研究和探索。
2 教学研究与探索
2.1 教学内容编排研究
微电子本身就是快速发展，更新频繁的技术。如何把握教学内容，夯实学生的专业基础知识，又让学生了解微电子技术前景与未来，在教学内容的设置上课程组成员做了充分讨论，将课程教学重点放在掌握PN结二极管、双极结型晶体管和绝缘栅场效应晶体管基本结构原理、工作特性，学时设置为56学时。教材选取也是课程建设的关键环节，目前微电子器件相关书籍深浅不一，主要包括：《微电子器件》、《微电子器件与IC设计基础》、《微电子器件基础》、《微电子器件封装与测试技术》、《微电子技术的可靠性—互连、器件及系统》等[3-7]。它们大都包括微电子器件内容，由于面向读着对象不同，内容侧重点也不同。考虑该课程在整个培养体系的承上启下作用，最后选用电子工业出版社陈星弼教授主编的《微电子器件》作为该课程的主教材[3]，该教材为普通高等教育“十一五”、“十二五”国家级规划教材，其内容全面，理论分析透彻和数学推导清晰。授课时，首先讲授课程导论，概述课程内容及微电子器件发展概况、产业及研究现状、发展趋势，目的是让学生对微电子器件课程有一个直观认识，引发他们的学习兴趣。由于教材中没有该章节，教学内容是教师总结多本参考书并结合最新行业发展现状进行讲授。接下来根据教材讲授，第1章介绍半导体物理基础及基本方程，第2章至第4章主要阐述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结构原理、工作特性和SPICE模型，第5章介绍半导体异质结器件。课程内容侧重微电子器件，删掉原先安排的集成电路设计基础部分的教学内容，同时在原有48课时基础上增加8个学时，既能与后续课程内容区分，又能对微电子器件相关内容进行精讲、细讲，夯实学生的基础，为后续专业课学习奠定坚实基础。
2.2 重视课程导论，激发学生学习兴趣
“微电子器件”课程涉及大量抽象的物理知识，这使学生理解起来有些困难;另外，复杂的公式推导又使得学生面对繁琐的计算而容易失去学习兴趣。因此，在授课中如何激发学生的学习兴趣是非常重要的。为此，一定要上好入门的第一节课程导论课。通过课程导论的讲解，要让学生明白该课程学什么，为什么学，如何学。首先，该课程学什么？其实就是让学生在开始上课之前了解这门课程将要讲些什么内容。一方面要让学生初步了解整个课程的知识体系，克服学生对这门课程望而生畏的心理。另一方面结合微电子技术最新发展状况，介绍高科技信息产业的热点问题，比如华为5G技术、中国北斗导航系统等，强调中国微电子发展的重大前景和需求。从行业发展前景的角度，激发学生对该课程学习的积极性和主动性。其次，为什么学习该课程？这要求学生了解“微电子器件”课程在整个电子科学与技术专业培养体系中的位置和作用。向学生阐明该课程在整个课程体系学习中起到承上启下的作用。同时结合行业发展和就业前景，让学生懂得学好这门课程是有用的，学习起来也会有动力。最后，如何学？考虑到该课程物理概念抽象并伴随较多繁琐的公式，如何学就是要让学生了解学这门课程都需要准备哪些数学和物理知识，如何进行课前预习和课后复习等等。随着信息技术的发展，也可以通过建立QQ或微信学习群，学生有不懂的问题可以在群里交流和讨论，老师也可以在学习群里发作业、讨论、为学生答疑解惑，让学生能轻松愉快地接受知识。 2.3 采用多种教学方式，丰富教学内容
前面也提到“微电子器件”课程涵盖内容广、跨度大、重点难点多。单一的教学方式已不能满足课程学习的需要。除了传统板书讲授、还可以有多媒体教学、演示实验、翻转课堂等多种教学手段。传统的手工板书讲授有助于理论公式推导与讲解，比如讲授理想PN结的伏安特性方程时，手工板书推导过程有助于学生理解。多媒体教学能够充分利用大量的图片、动画、微视频，让理论教学中很多抽象的理论具体化，让学生对抽象的理论更容易理解。例如，讲解MOSFET的基本结构时，其包括源极、栅极、漏极、衬底以及二氧化硅绝缘层，在多媒体中运用彩色图片，能够通过不同颜色显示不同部分，完整清晰描述了MOSFET的具体结构。同时，充分运用多媒体课件的动画展示，把课堂上做不了的实验用动画展示出来，比如，讲授MOSFET的输出特性时，为了阐述导电沟道随着外加电压的变化，可以通过多媒体动画演示导电沟道的形成、预夹断、夹断过程给学生看，从而给学生建立一个尽可能接近真实实验的情景。另外，还可以利用课余时间在课前由教师操作相关实验并录制成微视频，在课堂上进行相关的理论讲授时播放。这些多种教学方式相结合丰富了教学内容、让枯燥的理论讲解变得生动易理解，也为学生所广泛接受，进一步提高了课堂教学效果和效率。
2.4 理论联系实际，培养学生创新能力
“微电子器件”虽然是一门讲授器件原理的理论基础课程，但又与具体的微电子技术应用结合紧密。随着国内半导体制造现代化工艺线的不断建设和扩展，高速发展的IC产业对微电子人才需求日益增加，对培养人才也提出了新的、更高的要求。为了增强就业竞争力和深造潜力，要求学生不仅具有扎实的基础理论知识、豐富的实践能力又要对新技术创新有一定的了解。这些都要求教师在传授知识的同时，还应加强学生的创新能力培养。在教学过程中，教师在讲授器件基本结构原理、特性的同时要理论联系实际，结合前沿科学，最大可能地介绍微电子技术发展的最新动态，以及这些发展现状和微电子器件基本理论是如何联系起来的，拓展学生的视野、培养学生的学习和思考能力。例如，在介绍硅MOSFET的发展方向时，随着工艺技术的不断发展，器件尺寸不断按比例缩小，近年来当集成电路发展的尺寸缩小达到极限时，又出现了新的三维封装技术。通过结合实际和前沿科学最新成果的融入课堂教学，使学生掌握基础知识的同时，又清晰地学习认识微电子技术的变革发展，进一步促进学生探索和创新能力的培养，以适应微电子行业快速的技术更新。
3 结语
工科电子科学与技术专业“微电子器件”课程涵盖内容丰富，理论性强。为了适应微电子技术的快速发展和广泛应用，“微电子器件”课程的教学研究与改革任重而道远，需要不断探索和总结，在实践中不断完善教学理论体系，提高教学质量，培养出与时俱进、具有自主学习能力和自主创新能力的人才。
参考文献
[1] 刘继芝，廖昌俊，任敏，等.“微电子器件”课程三元教学法的研究[J].电气电子教学学报，2016，38（5）：78-80.
[2] 陈伟中，贺利军，黄义，等.基于“互联网+”时代《微电子器件》课程的改革与实践[J].科技创新导报，2018（24）：23-24.
[3] 陈星弼，张庆中，陈勇.微电子器件[M].3版.北京：电子工业出版社，2011.
[4] 刘刚，雷鑑铭，高俊雄，等.微电子器件与IC设计基础[M].2版.北京：科学出版社，2009.
[5] 兰慕杰.微电子器件基础[M].2版.北京：电子工业出版社，2013.
[6] 李国良，刘帆.微电子器件封装与测试技术[M].北京：清华大学出版社，2018.
[7] Johan Liu.郭福.微电子技术的可靠性—互连器件及系统[M].马立民，译.北京：科学出版社，2013.
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