《半导体器件》课程教学的改革探索

唐 莹 ，李万清

（1.中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州310018；2.杭州电子科技大学 计算机学院，浙江 杭州310018）

《半导体器件》课程教学的改革探索

唐 莹1，李万清2

（1.中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州310018；2.杭州电子科技大学 计算机学院，浙江 杭州310018）

针对《半导体器件》的课程特点，文章探讨了如何通过使用L-EDIT软件来改进该课程的教学方式和教学手段。在教学过程中应用L-EDIT软件更有利于学生对半导体器件的物理原理、器件结构及制造过程这三方面知识的综合理解和整体把握。教学实践表明，在《半导体器件》课程教学中引入L-EDIT可以收到良好的教学效果。

教学改革；《半导体器件》；L-EDIT软件

1 引言

《半导体器件》是高等院校微电子专业的一门重要的专业必修课。对于半导体器件的学习而言，任何一种半导体器件的物理原理、器件结构及其制造工艺流程都是相互融合不可分割的[1]。在《半导体器件》的教学过程中，学生对器件工作原理的讲解较为容易接受，这得益于《半导体物理》等先行课程的铺垫，然而在器件结构和相应制造工艺方面的掌握则显得有些欠缺，尤其将器件的原理、结构与工艺三者结合起来进行考查时，常常发现学生难以融会贯通综合掌握。分析其原因，一方面固然是由于半导体工艺课程的开设较晚；另一方面，则是学生普遍难以将工艺知识与器件结构两者结合起来进行思考和学习。将半导体器件的学习与器件的制造工艺割裂，是阻碍学生熟练掌握和深刻理解半导体器件学习内容的重要因素。伴随着微电子领域日新月异的发展，半导体器件的内容也日益丰富，课程的计划学时相形之下十分有限，甚至显得有些偏少。因此，如何在有限的课堂教学中，增强学生对于器件结构及相应制造工艺这一薄弱环节的学习，从而加深对器件的理解和掌握，成为《半导体器件》课程教学改革的一个重要问题。

作者结合科研经验对《半导体器件》课程的教学改革进行积极有益的探索，将专业制版软件L-EDIT引入《半导体器件》的课堂教学，通过运用具体的版图辅助讲解器件的结构及对应的制造过程，不仅改进了教学方式，收到了良好的教学效果，而且有助于学生增强对专业软件的认识及应用能力。

2 L-EDIT在半导体器件教学中的实际运用

2.1 从IC电阻引入L-EDIT

L-EDIT软件是Tanner Research公司开发的基于Windows操作平台的IC设计软件工具之一，作为专业的版图设计软件在国内应用广泛，具有很高知名度。简单的讲，L-EDIT就是一个版图图形编辑器，可以绘制、修改半导体器件与集成电路的掩膜版图形。在使用多媒体课堂教学时，既可以使用提前绘制好的L-EDIT版图，在讲解中针对器件的结构和工艺过程，有选择地显示单层或多层的掩膜版图形，也可以在课堂上当场绘制和修改，不仅教学方便，而且课堂效果良好，能有效地激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性。

然而由于学生在先导课程中未接触到L-EDIT软件，对于版图设计也知之甚少，因此在教学中要充分考虑到学生的可接受性，首先从最简单的器件引入L-EDIT，在后续课程中再逐步加深难度。最简单的半导体器件是PN结IC电阻，结构简单易学，选择在PN结电阻的讲解中初次引入L-EDIT软件，相对而言学生较容易接受L-EDIT的辅助讲解，通过将PN结电阻的剖面图与对应的LEDIT版图图形进行对比、说明和讲解，更有助于学生尽快熟悉L-EDIT软件，从而为后继复杂的器件结构的版图讲解垫定基础。

图1即为某一PN结电阻的L-EDIT版图（a）和对应的剖面图（b），其中深色为PN结电阻的接触孔，浅色区域为电阻体，L是电阻体的长度，W是电阻体的宽度。为了突出重点便于讲解，IC电阻的版图图形中省略了部分次要的掩膜图形，相应地在剖面图中也省略了与接触孔对应的导电金属层。通过对简单条状PN结电阻的讲解，学生可以直观、形象地了解PN结电阻的结构、尺寸参数的定义，有助于理解载流子的运动方式，考虑到绝大多数电流从接触孔的内边沿流出，因此电阻的计算长度并非区的扩散长度。同时对于扩散工艺也有了感性理解，有助于对器件基本工艺流程的学习和掌握。实践表明，通过从简单的矩形PN结电阻引入L-EDIT版图，学生接受程度快，对器件版图有最基础的了解，而且学习兴趣有明显提高。

图1 矩形PN结IC电阻的L-EDIT版图（a）和对应的结构剖面图（b）

2.2 运用L-EDIT巧设情境展开互动

器件的设计参数在版图之中必然要有所体现，而版图尺寸的改变相应也会对器件性能、工艺、制造成本等多方面产生影响。运用L-EDIT，通过设置一些情境，可以巧妙地将理论与实际相互联结，进而在课堂上展开讨论，引导学生自发探索。不妨仍以IC电阻为例展开讨论，蛇形电阻是一类常见的IC电阻，如图2所示，两种蛇形电阻的L-EDIT版图分别为矩形拐角和环形拐角，假设两个蛇形电阻有相同的薄层电阻和相同的宽度以及电阻的总长度。设置思考问题如下：第一，保持和不变，如何选取和，使得电阻所占据的硅片面积达到最小？第二，矩形拐角和环形拐角对电阻值会产生什么影响？第三，环形拐角的半径的变化会对电阻产生什么影响？第四，在版图绘制的过程中，哪一种蛇形电阻绘制更简单，更加容易修改，为什么？第五，在集成电路中，矩形拐角和环形拐角的蛇形电阻哪一种更常用，为什么？

图2 蛇形电阻版图（a）环形拐角（b）矩形拐角

硅片资源是十分昂贵的，器件所耗硅片的面积越小，成本就越低，因此在满足性能的基础之上，必须尽可能地节省器件的总面积，即硅片面积。看似简单的蛇形电阻，在优化其面积时要考虑的因素并不少，版图设计与工艺直接相连，因此考虑缩小面积必须考虑电阻的扩散结深所带来的横向扩散宽度，同时如何选取与，使得电阻总长度不变的情形下达到最小面积。两张版图带出的一系列问题，调动了学生极大的积极性，充分引起了学生探索的求知欲，课堂上不时有不同的观点被提出，各执己见相互争论，任课教师只需从旁轻微的点拨、点评，尽可能地引导学生运用所学过的知识自己去寻找问题的答案。在讨论问题寻找答案的过程中，将半导体器件物理与器件结构以及制造工艺有机地联系在一起，将理论知识与生产实践联系在了一起，让学生切身体会如何应用课本所学的理论知识来解决实际问题。运用L-EDIT设置实际应用的情境，活跃课堂气氛的同时，也增长了学生联系实际问题综合应用理论知识寻找答案的能力，可谓一举数得。

2.3 复杂器件结构的L-EDIT辅助讲解

双极型晶体管和MOS场效应晶体管是非常基本和重要的两种半导体器件，也是教材的核心内容[2]。对于这些结构较为复杂的半导体器件，适当地应用L-EDIT辅助讲解器件结构，加强感性认识，十分有助于学生对学习内容的深刻理解和掌握。如图3（a）中给出了一种类型的NPN晶体管版图。在双极型晶体管中，发射区、基区和集电区的掺杂浓度由高到低变化，从物理角度解释掺杂浓度差异的同时，还可应用L-EDIT简单分析双极型晶体管的工艺流程。通过版图的顺序，结合器件结构的形成步骤，学生能够更加直观地理解双极型晶体管的工艺顺序是在集电区上扩散形成基区，而后才在基区之上形成高浓度的发射区，进一步加深了理解，而且在后续理论内容讲解数学方程时，还有助于学生将物理模型与脑海中的实体印象相结合，有利于形成整体概念。NPN晶体管的版图结构具有多样性，如果改变各电极的形状与位置，器件的性能也会发生改变，图3（b）中所给出的仅是其中一种，还有多种结构，例如垂直排布的电极、叉指状排布的电极，等等。不同电极结构的NPN晶体管的版图绘制以及性能探讨不妨留做学生的课后思考题，鼓励学有余力的学生进行进一步的研究探索。

图3 （a）NPN晶体管结构示意图；（b）L-EDIT软件界面及一种类型的NPN晶体管版图

教学实践证明，利用L-EDIT版图，可以将抽象的结构示意图转变为具体的器件结构，将理论与实际应用相结合，更有利于进行启发式的教学。再如，当讲解MOSFET中的自对准工艺时，L-EDIT版图能起到非常好的讲授效果。讲解MOSFET的等比例缩小定律时，应用L-EDIT版图更是可以非常清晰地直观表达。此外，根据学生掌握知识水平的不同，还可以适当应用L-EDIT开展启发式的教学，通过设置一些难度不同的讨论题目，提高学生对知识的综合掌握和熟练运用。例如针对同种器件结构由于版图形状不同而产生的特性差异的讨论，版图与电路图之间如何一一对应等微型论题。在 《半导体器件》的教学中，由于学时有限，因此并非每一种器件结构都需要应用L-EDIT辅助讲解，要依据教学内容的需要，充分考虑课堂时间的安排，因此在应用L-EDIT讲解时，往往需要有针对性地选择几类最典型的器件进行重点讲解，避免占用过量的课堂时间而影响其他教学内容的讲授。

3 结论

对于任何一种半导体器件的熟练掌握，都离不开对该器件的物理机制、几何结构及其制造工艺的综合理解。教学实践表明，应用L-EDIT软件辅助《半导体器件》的教学，有助于学生对半导体器件结构、物理原理及工艺过程的整体学习和融会理解，丰富了教学手段和教学内容，有利于激发学生的学习兴趣，活跃课堂气氛，达到了良好的教学效果，同时促进了学生对课程理论内容和行业专业软件的主动学习。

4 致 谢

本研究工作受到下列基金资助：中国计量学院校级高教研究课题（HE200904），中国计量学院重点课程“半导体器件及其课程设计”项目（ID号：2008010），重点课程“固体物理与半导体物理系列课程”项目（ID号：2007011）以及中国计量学院引进人才科研启动项目 (No.01101-000169)。在此一并表示诚挚的感谢。

[1][美]施敏，著.半导体器件物理与工艺（第二版）[M].赵鹤鸣,钱敏,黄秋萍,译.苏州：苏州大学出版社,2004.

[2]曾树荣.半导体器件物理基础[M].北京：北京大学出版社,2002.

Research on Application of L-EDIT Software in Semiconductor Device Teaching

TANG Ying1,LI Wanqing2
（1.College of Optical and Electronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou Zhejiang 310018,China;2.School of Computer Science&Technology,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018,China）

Considering the feature of the curriculum of semiconductor devices,this article discusses the application of LEDIT software to improve the teaching methods.It has been proved that the application of L-EDIT software in the teaching process is more conducive to students which help the students study and comprehensive understand the knowledge of physical principles of semiconductor devices,the device structure and manufacturing process.Teaching practice showed that utilizing L-EDIT software in the course of semiconductor devices receives well teaching results.

teaching reform;semiconductor devices;L-EDIT software

G424.1

A

1674－5787（2010）02－0063－03

2009-12-18

唐莹（1981—），女，浙江杭州人，工学博士，研究方向为微电子学与固体电子学。

责任编辑 王荣辉