張 鵬

（南京郵電大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 210023）

信息化教學(xué)是當(dāng)下及未來(lái)的主流教學(xué)模式，主要是通過(guò)現(xiàn)代化的教學(xué)手段，讓學(xué)生從知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)換為知識(shí)的主動(dòng)探索者，教師的主要作用從知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)化為學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的輔助者[1]。微電子器件和半導(dǎo)體物理是高校微電子專業(yè)的重要必修課程，對(duì)微電子器件和半導(dǎo)體物理課程的學(xué)習(xí)深化需要一定的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)[2]。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識(shí)，并自主將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐過(guò)程，深化對(duì)知識(shí)體系的理解，增強(qiáng)學(xué)生的自主探索意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

1 理論知識(shí)的信息化教學(xué)模式

半導(dǎo)體物理涉及半導(dǎo)體的電學(xué)特性、能級(jí)分布、PN結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)等理論，而微電子器件涉及雙極型晶體管、金屬―絕緣體―半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、金屬―半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、薄膜晶體管等相關(guān)器件的原理。這些相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，不僅涉及相關(guān)的原理性闡述，還囊括了諸多公式及其推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)相關(guān)公式的掌握有利于實(shí)踐環(huán)節(jié)的開展。對(duì)于原理性內(nèi)容的闡述和公式推導(dǎo)過(guò)程，一方面需要教師的講授，另一方面，更需要學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。尤其是當(dāng)后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)與專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)不同步，更需要加深對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。通過(guò)信息化教學(xué)模式，能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，鞏固專業(yè)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。

信息化教學(xué)模式，不僅在教學(xué)手段上從以前的板書轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代的多媒體教學(xué)，而且在教學(xué)模式上從單一的教室授課轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上線下結(jié)合，在教學(xué)方式上由單一的教師授課轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒?dòng)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，在教學(xué)內(nèi)容上由純理論知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撀?lián)系實(shí)踐。

在教學(xué)手段上，多媒體教學(xué)不僅解放了教師的雙手，使得教師在授課過(guò)程中能夠更有效地與學(xué)生互動(dòng)，了解學(xué)生接受專業(yè)理論知識(shí)過(guò)程中的難點(diǎn)，從而便于更有效地傳授知識(shí)點(diǎn)。更為重要的是，多媒體教學(xué)可以通過(guò)動(dòng)畫等方式更為直觀和生動(dòng)地描述相關(guān)原理，給學(xué)生留下更為深刻的印象[3]。同時(shí)，多媒體教學(xué)在公式推導(dǎo)等過(guò)程中采用動(dòng)畫播放的方式，相對(duì)于板書公式，能夠讓學(xué)生關(guān)注到公式推導(dǎo)的重點(diǎn)且能夠節(jié)約教師板書的時(shí)間，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的效率。由于學(xué)生更關(guān)注公式推導(dǎo)的整體性，更有利于從整體上把握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的銜接，能夠更清晰地了解將理論知識(shí)應(yīng)用到具體實(shí)踐環(huán)節(jié)的過(guò)程。

教學(xué)采用線上線下結(jié)合的模式，線上教學(xué)采用慕課等新型授課手段[4]，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的錄制讓學(xué)生可以多次循環(huán)播放了解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)獨(dú)立或者團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式，利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)深入了解教學(xué)過(guò)程中的知識(shí)點(diǎn)。在線下的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以與授課教師進(jìn)行面對(duì)面的溝通，學(xué)生無(wú)法深入理解的知識(shí)點(diǎn)由授課教師進(jìn)行詮釋，這也有助于學(xué)生獨(dú)立思考能力和自主學(xué)習(xí)能力的提高。

在教學(xué)方式上，采用師生互動(dòng)的方式，讓學(xué)生更多地參與到理論知識(shí)的講授過(guò)程中。一方面，這有利于老師將授課重點(diǎn)放到學(xué)生的知識(shí)盲點(diǎn)上，從而提高教學(xué)的效率。另一方面，讓學(xué)生參與到授課環(huán)節(jié)，有利于教師了解學(xué)生所掌握的知識(shí)點(diǎn)，并通過(guò)互動(dòng)過(guò)程讓學(xué)生深入思考，加深其對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象，從整體上了解相關(guān)知識(shí)原理和公式闡述意義等。同時(shí)，通過(guò)學(xué)生參與授課環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生充分理解 “教” 與 “學(xué)” 之間的相關(guān)性，了解教學(xué)環(huán)節(jié)是自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上的更進(jìn)一層，在學(xué)習(xí)過(guò)程中可以進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

在教學(xué)內(nèi)容上，部分內(nèi)容采用專業(yè)理論知識(shí)聯(lián)系實(shí)踐的方式，直觀呈現(xiàn)了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的物理意義，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象，為后續(xù)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)打下一定的基礎(chǔ)。由于理論學(xué)習(xí)和教學(xué)實(shí)踐在時(shí)間上不一致，在理論學(xué)習(xí)過(guò)程中引入教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的介紹，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的整體理解，便于將理論知識(shí)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為實(shí)踐過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的應(yīng)用。

2 教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的信息化教學(xué)模式

在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，完全體現(xiàn)了信息化教學(xué)模式的功能。一方面，采用現(xiàn)代化的信息工具，結(jié)合軟件工具對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)踐。另一方面，在相關(guān)實(shí)踐過(guò)程中，讓學(xué)生利用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主實(shí)踐，教師在實(shí)踐過(guò)程中僅發(fā)揮 “協(xié)助者” 的作用。學(xué)生可以通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)搜索等方式，增強(qiáng)自主實(shí)踐的能力，最終完成相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。另外，通過(guò)增設(shè)相關(guān)的實(shí)踐課題，通過(guò)實(shí)踐―理論―再實(shí)踐的方式，培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)踐能力和一定的創(chuàng)新思維能力。

實(shí)踐中的信息工具，采用的是基于MATLAB等軟件編程和相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件。Matlab是MathWorks公司開發(fā)的一款以數(shù)學(xué)運(yùn)算為主要特色，集數(shù)學(xué)運(yùn)算、符號(hào)分析、圖形可視化等于一體的集成化軟件，在微電子器件和半導(dǎo)體物理領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。作為常見的現(xiàn)代化數(shù)學(xué)公式編程工具，MATLAB軟件內(nèi)部集成了諸如指數(shù)函數(shù)，積分函數(shù)，矩陣運(yùn)算等直接的函數(shù)和運(yùn)算方法，相比于C/C++語(yǔ)言，具有更加直觀簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，而且可以通過(guò)plot函數(shù)等實(shí)現(xiàn)直觀的圖像顯示。該軟件學(xué)習(xí)過(guò)程較為簡(jiǎn)便，僅需要通過(guò)教師的簡(jiǎn)單講授，或者學(xué)生自主搜索學(xué)習(xí)相關(guān)教程即可上手，大大降低了花費(fèi)在軟件學(xué)習(xí)上的時(shí)間。同時(shí)，教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)也可以根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行，通過(guò)MATLAB等編程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算后，利用Origin等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)圖的繪制，從而驗(yàn)證相關(guān)半導(dǎo)體物理和微電子器件理論的有效性。

對(duì)于現(xiàn)代化信息工具的應(yīng)用，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)軟件使用和微電子器件，半導(dǎo)體物理知識(shí)點(diǎn)的回顧，利用軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)公式的編輯和物理圖像的顯示。一方面，基于理論課程學(xué)習(xí)過(guò)程中涉及的實(shí)踐內(nèi)容，學(xué)生已經(jīng)對(duì)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)有了一定的了解，可以更快上手。并且在理論教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的把控更加深刻，這將有利于后續(xù)實(shí)踐環(huán)節(jié)的順利開展。另一方面，學(xué)生在編寫代碼的過(guò)程中，涉及相關(guān)物理參量之間的關(guān)系，數(shù)學(xué)公式編寫的正確性與可讀性，以及物理圖像的正確顯示等方面，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊塘?xí)慣和對(duì)物理參量的含義和相互關(guān)系的深刻理解。同時(shí)，對(duì)于程序編寫過(guò)程中的出現(xiàn)的Bug,需要鍛煉學(xué)生的Debug能力。學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立搜索查詢，或者是團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方式自主學(xué)習(xí)，教師在學(xué)生編程的過(guò)程中僅扮演 “協(xié)助者” 角色，有利于實(shí)踐課程的信息化教學(xué)模式的開展，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

通過(guò)信息化教學(xué)模式的開展，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)踐―理論―再實(shí)踐的方式，培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)踐能力和一定的創(chuàng)新思維能力[5]。學(xué)生利用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行MATLAB等編程后，通過(guò)MATALB或者Origin軟件獲取相關(guān)數(shù)據(jù)圖，然后通過(guò)數(shù)據(jù)圖分析相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)，然后再通過(guò)新的實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行一定的創(chuàng)新。比如，在課堂內(nèi)容里要求學(xué)生掌握MIS的低頻和高頻電容―電壓的變化關(guān)系，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)圖及了解一般教學(xué)實(shí)踐過(guò)程之后，再返回到半導(dǎo)體物理相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)編寫MOSFET的電流―電壓特性的不同等級(jí)模型。通過(guò)編寫MOSFET模型之后，可以將仿真結(jié)果與商用的仿真軟件如Hspice模型進(jìn)行對(duì)比，從而了解編寫模型的準(zhǔn)確度。通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和編寫代碼，并進(jìn)行理論的反饋，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的信息化教學(xué)舉例說(shuō)明

本部分利用有機(jī)薄膜晶體管的電學(xué)特性舉例說(shuō)明教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)踐過(guò)程。有機(jī)薄膜晶體管載流子輸運(yùn)一般采用的是跳躍模型，隨著柵極電壓的增大，載流子填充更多的帶尾態(tài)，因此載流子遷移率隨著填充態(tài)的增多而逐漸增大。根據(jù)相關(guān)的理論知識(shí)，載流子遷移率與柵極電壓之間的關(guān)系符合經(jīng)驗(yàn)公式，即遷移率FE與低場(chǎng)遷移率0成正比，與遷移率增強(qiáng)因子 成指數(shù)關(guān)系，有機(jī)薄膜晶體管的電流電壓特性也相應(yīng)的與低場(chǎng)遷移率0成正比，在飽和區(qū)域與遷移率增強(qiáng)因子+2次方有關(guān)，在線性區(qū)域與遷移率增強(qiáng)因子+1次方有關(guān)。同時(shí)，亞閾值區(qū)域的電流電壓關(guān)系，也可以通過(guò)指數(shù)形式及遷移率增強(qiáng)因子+2次方統(tǒng)一成f(VG,V)表達(dá)式。具體的公式推導(dǎo)過(guò)程由指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論講解。

實(shí)驗(yàn)中制備了聚苯乙烯（Polystyrene,PS）薄層修飾SiO2界面的并五苯有機(jī)薄膜晶體管。SiO2柵氧層厚度為300 nm，柵絕緣層表面電容為11.5 nF/cm2。轉(zhuǎn)移特性曲線可以獲得閾值電壓為-7.2V，亞閾值斜率為3.5 V/dec。通過(guò)給定的數(shù)據(jù)和指導(dǎo)老師的講解，學(xué)生可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)自主開展數(shù)據(jù)分析。

由學(xué)生自主實(shí)踐所獲得的數(shù)據(jù)可知，該仿真曲線在超閾值電流區(qū)域和亞閾值電流區(qū)域與實(shí)驗(yàn)曲線都符合得較好，表明仿真過(guò)程的有效性。另外，值得注意的是，對(duì)于本器件，較大的遷移率增強(qiáng)因子 值表明并五苯材料較大的能量/空間無(wú)序性及并五苯/聚苯乙烯的界面俘獲作用。為追求良好的器件特性，需要增大低場(chǎng)遷移率0的同時(shí)減小遷移率增強(qiáng)因子，這依賴于有機(jī)半導(dǎo)體材料的形貌和界面性能的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)仿真等信息化教學(xué)模式及刻意練習(xí)手段，加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，有利于突出教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的作用與優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)信息化教學(xué)模式在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中的運(yùn)用及刻意練習(xí)過(guò)程，不僅有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的有效把控和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，而且在一定程度上有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的提升。