半导体与量子力学的关系范文

导语：如何才能写好一篇半导体与量子力学的关系，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词 半导体物理学 课程探索

中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2016）02-0001-01

信息技术的基础是微电子技术，随着半导体和集成电路的迅猛发展，微电子技术已经渗透到电子信息学科的各个领域，电子、通信、控制等诸多学科都融合了微电子科学的基础知识。《半导体物理学》是微电子技术的理论基础，是电子科学与技术、微电子学等专业重要的专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。但是，《半导体物理学》具有理论性强、教学模式单一、教学内容更新慢等特点，使得学生在学习过程中存在一定的难度。因此，本文从课堂教学实践出发，针对目前教学过程中存在的问题与不足，对微电子专业的《半导体物理学》课程进行探索。

一、教学内容的设置

重庆邮电大学采用的教材为电子工业出版社刘恩科主编的《半导体物理学》，该教材具有知识体系完善、涉及知识点多、理论推导复杂、学科交叉性强等特点，需要学生有扎实的固体物理、量子力学、统计物理以及数学物理方法等多门前置学科的基础知识。另外，我们开设的学生对象为微电子相近专业的学生，因而在课程内容设置时有必要考虑学生知识水平及其知识结构等问题。虽然微电子学相近专业开设了大学物理等课程，但是大部分专业未开设量子力学、固体物理及热力学统计物理等前置课程，学生缺少相应的背景知识。因此，我们在《半导体物理学》课程内容设置上，需要将部分量子力学、固体物理学及统计物理学等相关知识融合贯穿在教学中，避免学生在认识上产生跳跃。

从内容上，依据课程大纲《半导体物理学》主要分为两大部分，前半部分着重介绍半导体的电子状态及对应的能带结构，电子有效质量、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布，半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上进一步阐述了费米能级、迁移率、非平衡载流子寿命等基本概念；后半部分对典型的半导体元器件及其性能进行了深入分析。基于以上分析，半导体物理课程对授课教师要求较高，需要教师采用多样化的教学手段，优化整合教学内容，注重理论推导与结论同相关电子元器件的实际相结合，使学生较好地理解并掌握相关知识。

二、教学方法与教学手段

为了让学生能较好地掌握《半导体物理学》中涉及的理论及模型，需要采用多样化的教学方法和手段。基于《半导体物理学》课程的特点，在传统黑板板书基础上，充分利用PPT、Flash等多媒体软件，实物模型等多种信息化教学手段，模拟微观过程，使教学信息具体化，逻辑思维形象化，增强教学的直观性和主动性，从而达到提高课堂教学质量的目的。

三、考核方式的改革

为了客观地评价教学效果和教学质量，改革考核方式是十分必要的。针对《半导体物理学》课程特点，对考核方式作如下尝试：（1）在授课过程中，针对课程的某些重点知识点，设计几个小题目，进行课堂讨论，从而增强学生上课积极性及独立思考能力；（2）学期末提交针对课程总结的课程论文，使学生在对课程有更深入了解的同时激发学生的创造积极性。

《半导体物理学》是微电子技术专业重要的专业基础课，为后续专业课程的学习打下理论基础。要实现《半导体物理学》这门课的全面深入的改革，还有待与同仁一道共同努力。

参考文献：

[1]汤乃云.微电子专业“半导体物理”教学改革的探索[J].中国电力教育，2012，（13）.

篇2

多年以前，高科技最牛的美国就已不把电子计算机列为高科技产品了。

但巨高性能计算机仍是信息时代的高科技标志物件之一。2012年诺贝尔物理学奖发给了法国人塞尔日·阿罗什和美国人大卫·维恩兰德，这两位科学家的研究成果为新一代超级量子计算机的诞生提供了可能性。

恶搞一下：法国人浪漫，而简称美国人为美人，那么，浪漫人美人=？

文艺范儿的信息

不往滥俗里想，那么，答案就是很文艺化的表达了。其实，“信息”最初是相当文艺范儿的，而不是20世纪中期才开始热门起来的科技词汇。

一般认为，中文的“信息”一词出自南唐诗人李中《暮春怀故人》：“梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台。”—— “美眉音信消息全无啊，梦里也梦不到你，我独自上楼倚栏，望眼欲穿望到长路尽头也不见你。”这么拙劣地意译，也让人感觉到深深的思念。

其实，在李中之前一百多年，与李商隐齐名的唐朝大诗人杜牧《寄远》里就有“信息”了：“塞外音书无信息，道旁车马起尘埃。”还有比小杜更早的，唐朝诗人崔备的《清溪路中寄诸公》：“别来无信息，可谓井瓶沉。”

宋朝的婉约派大词人柳永、李清照也用过“信息”这个词。因金兵入侵而流离失所的李清照思念当年安乐的故乡，心理上把信息的价格定成了真正的天价：“不乞隋珠与和璧，只乞乡关新信息。”——千年前的唐宋中国，其高科技虽是世界第一，但信息技术还是跟现在没法比的，要靠驿马、鸿雁甚至人步行来传递信息，速度慢而效率低，信息珍贵啊。

在地球的西方呢？虽然香农1948年就划时代地把信息引为数学研究的对象，赋予其新的科学的涵义；至1956年，“人工智能”术语也出现了。可最早讨论数据、信息、知识与智慧之间关系的，却是得过诺贝尔文学奖的大诗人艾略特（T. S. Eliot；钱钟书故意译为“爱利恶德”）。他在1934年的诗歌“The Rock”中写道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我们迷失于生活中的生命在哪里？

我们迷失于知识中的智慧在哪里？

我们迷失于信息中的知识在哪里？

我们迷失于数据中的信息在哪里？

尽管第四句是好事者后加的，但诗人还是直指本质地提出了信息暴炸时代最困扰人的难题：如何不让我们的生命和智慧都迷失在数据中？

量子计算机和量子信息技术，提供了一种让生命和智慧不要淹没在数据的海洋中的途径、工具和可能。

量子与量子计算机

量子理论是现代物理学的两大基石之一，为从微观理解宏观提供了理论基础。客观世界有物质、能量两种存在形式，物质和能量可以互相转换（见爱因斯坦的质能方程），量子理论就是从研究极度微观领域物质的能量入手而建立起来的。

我们知道，微观世界中有许多不同于宏观世界的现象和规则。经典物理学理论中的能量是连续变化的，可取任意值，但科学家们发现微观世界中的很多物理现象无法解释。1900年12月14日，普朗克在解释“黑体辐射”时提出：像原子是一切物质的构成单元一样，“能量子（量子）”是能量的最小单元，原子吸收或发射能量是一份一份地进行的。这是量子物理理论的诞生。

1905年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布罗意提出“物质波”概念，即一切物质粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩阵力学，薛定谔建立了量子波动力学，量子理论进入了量子力学阶段。1928年，狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学转换，对量子力学理论进行了系统的总结，成功地将相对论和量子力学两大理论体系结合起来，使量子理论进入量子场论阶段。

“量子”词源拉丁语quantum，意为“某数量的某事物”。现代物理学中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子；或者说，一个物理量如果有不可连续分割的最小的基本单位，则这个物理量（所有的有形性质）是“可量子化的”，或者说其物理量的数值会是特定的数值而非任意值。例如，在（休息状态）的原子中，电子的能量是可量子化的，这能决定原子的稳定和一般问题。

虽然量子理论与我们日常经验感觉的世界大不一样，但量子力学已经在真实世界应用。激光器工作的原理，实际上就是激发一个特定量子散发能量。现代社会要处理大量数据和信息，需要计算的机器（计算机）。量子力学的突破，使瓦格纳等于1930年发现半导体同时有导体和绝缘体的性质，后来才有了用于电子计算机的同时作为电子信号放大器和转换器的晶体管，再有了集成电路芯片，今天的一个尖端芯片可集聚数十亿个微处理器。

随着计算机科技的发展，发现能耗导致发热而影响芯片集成度，限制了计算速度；能耗源于计算过程中的不可逆操作，但计算机都可找到对应的可逆计算机且不影响运算能力。既然都能改为可逆操作，在量子力学中则可用一个幺正变换来表示。1969年，威斯纳提出“基于量子力学的计算设备”，豪勒夫等于1970年代论述了“基于量子力学的信息处理”。1980年代量子计算机的理论变得很热闹。费曼发现模拟量子现象时，数据量大至无法用电子计算机计算，在1982年提出用量子系统实现通用计算以减少运算时间；杜斯于1985年提出量子图灵机模型。1994年，数学家彼得·秀尔提出量子质因子分解算法，因其可破解现行银行和网络应用中的加密，许多人开始研究实际的量子计算机。

在物理上，传统的电子计算机可以被描述为对输入信号串行按一定算法进行变换的机器，其算法由机器内部半导体集成逻辑电路来实现，其输入态和输出态都是传统信号（输入态和输出态都是某一力学量的本征态），存储数据的每个单元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个。而量子计算机靠控制原子或小分子的状态，用量子算法运算数据，输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交，其中的变换为所有可能的幺正变换；因为量子态有叠加性（重叠）和相干性（牵连、纠缠）两个本质特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或两个“0”或两个“1”，即可同时存储4个二进制数（00、01、10、11），实现量子并行计算（量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种传统计算，所有传统计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加，给出量子计算机的输出结果），从而呈指数级地提高了运算能力——一台未来的量子计算机3分钟就能搞定当今世界上所有电子计算机合起来100万年才能处理完的数据。用量子力学语言说，传统计算机是没有用到量子力学中重叠和牵连特性的一种特殊的量子计算机。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储2的250次方个二进制数，比人类已知宇宙中的全部原子数还多。而且，集成芯片制造业很快将步入16纳米的工艺，而量子效应将严重影响芯片的设计和生产，又因传统技术的物理局限性，硅芯片已到尽头，突破的希望在于量子计算。

量子世界的死猫活猫与粒子控制

喜好科技的文艺青年可能看过美剧《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定谔猫”：一只被关在黑箱里的猫，箱里有毒药瓶，瓶上有锤子，锤子由电子开关控制，电子开关由一个独立的放射性原子控制；若原子核衰变放出粒子触动开关，锤落砸瓶放毒，则猫死。薛定谔构想的这个实验，被引为解释量子世界的经典。而量子理论认为，单个原子的状态其实不是非此即彼，或说箱里的原子既衰变又没有衰变，表现为一种概率；对应到猫，则是既死又活。若我们不揭开盖子观察，永远也不知道猫的死活，它永远处于非死非活的叠加态。

宏观态的确定性，其实是亿万微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。微观粒子通常表现为两种截然不同的状态纠缠一起，一旦用宏观方法观察这种量子态，只要稍一揭开箱盖，叠加态立即就塌缩了（扰破坏掉），薛定谔猫就突然由量子的又死又活叠加态变成宏观的确定态。用实验研究量子，首先要捕获单个的量子。即若不分离出单个粒子，则粒子神秘的量子性质便会消失。科学家们长期以来头疼的是，未找到既不破坏量子态，又能实际观测它的实验方法，他们只能在头脑中进行思想实验，而无法实际验证其预言。

而阿罗什和维恩兰德的研究，发明了在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行观测和操控的方法，则可实证地说出薛定谔猫究竟是死猫还是活猫，而且为研制超级量子计算机带来了更大可能，因为量子计算机中最基础的部分——得到1个量子比特已获成功。

光子和原子是量子世界中的两种基本粒子，光子形成可见光或其他电磁波，原子构成物质。他们研究光与物质间的基本相互作用，方法大同小异：维因兰德利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子。他平行放置两面极精巧的镜子，镜间是真空空腔，温度接近绝对零度（约-273℃）。一个光子进入空腔后，在两镜面间不断反射。阿罗什则通过发射原子穿过阱，控制并测量了捕获的光子或粒子。他用一系列电极营造出一个电场囚笼，粒子像是被装进碗里的玻璃球；然后用激光冷却粒子，最终有一个最冷的粒子停在了碗底。阿罗什在捕获单个光子后，引入了特殊的里德伯原子，作为观测工具，从而得到光子的数据。维因兰德向碗中发射激光，通过观测光谱线而得到碗底粒子的数据。

2007年以来，加拿大、美国、德国和中国的科学家都说自己研制出了某种级别的量子计算机，但到今天却仍无一个投入实用。光钟更接近现实，因为可操控单个量子，就能按意愿调控量子的振荡（相当于钟摆）频率，越高越精；目前实验的光钟，若从宇宙产生起开始计时，至今只误差5秒。光钟可使卫星定位和计算太空船的位置更精确……

神话般的量子信息技术

科幻作家克莱顿（著有《侏罗纪公园》、《失去的世界》等）在科幻小说《时间线》中，曾文艺化地描述量子计算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫虫洞”、“量子运输”、“量子纠缠态”、“电子的32个量子态”等让常人倍感高深的说法。其中一些如今正在证实或变现。

如果清朝政府的通信密码不被日本破译，那么李鸿章后去日本谈判时就很可能是另外一种结局，今天也不会有的问题了。目前世界的密码系统大都采用单项数学函数的方式，应用了因数分解等数学原理，例如目前网络上常用的密码算法。秀尔提出的量子算法利用量子计算的并行性，能轻松破解以大数因式分解算法为根基的密码体系。量子算法中，量子搜寻算法等也能分分钟攻破现有密码体系。可说量子这种技术在现代军事上的意义不亚于核弹。但同时，量子信息技术也将发展出一种理论上永远无法破译的密码——量子密码。

保密通信分为加密、接收、解密三个过程，密钥的保密和不被破解至为关键。量子密码采用量子态作为密钥，是不可复制的，至少在理论上是无破译的可能。量子通信是用量子态的微观粒子携带的量子信息作为加密和解密用的密钥，其密钥安全性不再由数学计算，而是由微观粒子所遵循的物理规律来保证，窃密者只有突破物理法则才有可能盗取密钥（根据海森堡的测不准原理，任何测量都无法穷尽量子的所有信息）。而且量子通信中，量子纠缠态（有共同来源的两个粒子存在着纠缠关系，似有“心灵感应”，无论距离多远，一个粒子的状态发生变化，另一个粒子也发生变化，速度远远超过光速，一旦受扰即不再纠缠。爱因斯坦称这种发生机理至今未解的量子纠缠为“幽灵般的超距作用”）被用于传输和保证信息安全，使任何窃密行为都会扰乱传送密钥的量子状态，从而留下痕迹。

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[关键词]结构化学；教学改革；互动教学

结构化学课程是我国高等学校化学专业的必修课程，内容涉及量子化学，分子对称性，配位化学和晶体学基础等部分。该课程内容抽象，知识系统庞杂，数理推导较多，学习曲线陡峭，不少学生因此存在着畏难情绪。然而正如诗词所言，无限风光在险峰，学好这门课程不仅有助于理解其它化学课程的内容，也是为进一步在本专业深造打下坚实的基础。[1]在当前深化本科教育教学改革的背景下，如何将结构化学课程上好，真正做到让老师强起来，学生忙起来，效果实起来，笔者在此对授课以来的问题和解决方法进行总结。

1重视数理，夯实基础

结构化学课程的一大难点在于数学推导较多，譬如量子化学部分完全使用数学语言描述核心知识，而对于化学专业的同学，数学一直是软肋，于是极容易产生厌学和畏难情绪。[2-4]针对这个问题，很多老师采取的解决方法是淡化数学推导，重点介绍推导后的结论和意义，但我们在授课过程中，发现这样的授课方式效果欠佳，因为基础不牢，课程的学习只能是空中楼阁、风中沙塔，很多同学在课程结束后还是无法对物理图像有一个正确的认识和把握。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，笔者认为与其淡化数学，不如严格要求，把数学学到位。伟大的思想家恩格斯说过：“任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用。”正是因为数学和物理的引入，才让化学摆脱了炼金术的桎梏而成为一门科学。因此我们在授课时自始至终强调数学的重要性，在涉及数学内容较多的章节，提前讲授将要用到的数学工具并布置作业，每章节结束后将重要的公式和结论进行串讲并配合习题进行强化训练，要求所以学生每学完一个章节就做思维导图及时总结复习，将重要公式进行总结归纳制作公式索引表格。尽管提升了学习的难度，但学生对于推导的结果和物理意义理解的更加准确和深入，记忆也更加牢固，锻炼了学生的逻辑思维和严谨认真的科学态度。

2理清主线，合理增负

结构化学课程内容主要涉及量子化学基础，分子对称性，配位化学以及晶体学基础。尽管这四个部分知识彼此之间较为独立，但所表达的核心思想是一致的，即结构决定性质，性质也反映着结构。目前授课内容主要存在问题是：量子化学部分各章节之间主线不够明确；配位化学部分和专业无机化学课程内容有重叠；晶体学基础部分，结构相关的内容介绍较多而相关的性质介绍较少。针对这些问题，我们对课程的授课内容进行了合理的补充和删减。首先，对于量子化学部分，我们在授课一开始给出课程的故事主线，即量子力学的诞生背景，量子力学基本假设，简单模型的量子力学处理方法，氢原子薛定谔方程的求解过程及解的物理意义，以及针对于多电子原子和多原子分子的近似方法。这条主线清晰明确，在每一章节开始时，我们对之前的内容进行简要回顾，帮助学生理清了各章节的逻辑关系，在学期末复习课时对每一个知识点进行展开复习，进行巩固。配位化学部分，对于和无机化学有重叠的部分，我们通过翻转课堂的方式简要复习，同时突出结构化学的重点，即分子轨道理论在配位化学的应用，着重介绍了配体群轨道这个新概念，以及不同配位几何构型下配体群轨道和中心原子如何依据对称性进行线性组合的方式，同时介绍了金属配合物作为均相催化剂催化反应的常见机理。在此基础上，我们还将科研中的一些问题引入课堂讨论，如金属氮宾体和金属氧化物的电子结构，让学生通过知识解决实际科研问题，真正做到科研反哺教学。晶体学部分除了介绍基本知识以外，补充介绍了能带理论，态密度等概念，并介绍了导体，半导体，绝缘体在电子结构上的差异，这些基础知识有利于化学专业的同学在材料化学方向进行科研工作打下基础。尽管课程在深度和广度上都有所增加，但不少同学都表示感受到了挑战性学习所带来获得感和高阶乐趣。

3反客为主，多元考核

传统理论课授课方式，采用幻灯片讲述授课，学生被动填鸭式学习，效果较差，也不利于学生培养综合能力。针对这些问题，我们开始尝试翻转课堂教学方法来提高学生参与性，重点培养学生的学习能力，表达能力，独立思考，发现问题，解决问题的能力，这些都是未来创新型人才所具有的重要特质。翻转课堂的内容主要涉及三个方面，一个是结构化学课程中难度较低的几个章节，如双原子分子电子结构，分子对称性，配位化学基础知识等章节，各章节的总结复习以及研究性课题，教师提供慕课资源，书籍资料和分子建模软件，让所有学生统一准备，课堂上抽签进行讲解，在授课过程中，要求其他小组必须提问，教师在课程结束时对各小组所准备的课件进行补充点评，我们也将翻转课堂教学纳入了考核评价，提高了课程总结笔记，课堂提问，翻转课堂课件等分数项的比例。翻转课堂授课方式有效的活跃了课堂气氛，提高了课堂参与度，也增强了学生的学习能力和思辨精神。

篇4

关键词：graphene, 石墨烯， 单原子石墨膜， 新型材料

中图分类号：N04；O47；H059 文献标识码：A 文章编号：1673-8578(2012)01-0036-05

Novel Material―Graphene

QIAN Jiajun

Abstract：Graphene is a two-dimensional material, merely one atom thick sheet of carbon arranged laterally in a honeycomb lattice. Its π-valence band and π*-conduction band touch at two in-equivalent points in the honeycomb lattice Brillouin zone. In graphene, charge carriers exhibit giant intrinsic mobility and can travel ballistically over submicrons without scattering at room temperature. It is the thinnest electronic material and can be used to enable transistors operating at very high frequencies. This review analyzes trends in graphene research and applications, and attempts to identify future directions.

Keywords：graphene，novel material，one-atom thick sheet of carbon

引 言

2010年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖项，授予在英国曼彻斯特大学任教的两位俄罗斯裔科学家：安德列•吉姆（Andre Geim 荷兰籍，时年51岁)和康斯坦丁•诺沃塞洛夫（Konstatin Novoselov 英国籍，时年36岁)，以奖励他们在新颖材料graphene方面杰出的先驱性实验物理研究。这种新型材料，实际上是透明的，比金刚石还硬，是世界上最薄和最硬的电子材料，具有超强的导电性能和导热性能，可承受电流密度比铜高六个数量级，有可能用于制备透明触摸屏、平板阅读器、太阳能电池、复合材料、贮氢材料以及运算速度极快的超级计算机等。尽管这种材料出现的时间很短，却显现出极其丰富的物理现象和潜在的应用前景。

然而，在有关这种新型材料的报道中，一些文献与媒体将graphene一词译作“石墨烯”。虽然，按化学名词的惯例，将英文词根graphite(石墨) + ene (烯类化合物的结尾)，从字面上直译为“石墨烯”是符合一般化学译名法的，但笔者认为，如此译法不准确，容易引起混淆，值得商榷。

正如前面已经指出的，graphene 来源于英文graphite，因此中文译名中保留“石墨”这个词根是恰当的，问题是出在后面的“烯”字上。按照《新华词典》的解释［1］，“烯”是分子中含有碳-碳双键的烃类化合物的总称；而“烃”则是由碳和氢两种元素组成的有机化合物。这就是说，“烯”包含几个要素，其一是它必须是碳氢化合物；其二是它必须含有碳-碳双键；第三，它的分子结构是链状。再来看新材料graphene, 其中既没有氢元素，也不包含碳-碳双键，而且分子结构是按单键蜂房结构密集排列的，因此，把它译成“石墨烯”，会使人误认为是某种碳氢化合物，引起概念上的混淆。

实际上，在两位诺奖得主的原始文献［2-3］中，对graphene的定义很明确，就是按蜂房结构密集排列的单原子层碳薄膜，如图1a所示。换言之，graphene实际就是二维单原子层石墨薄膜。把这层石墨膜包围起来，可以构成一个零维的富勒球分子（图1b）；把单层（或多层）卷起来，则形成一维的碳纳米管（图1c）; 而把它们按三维堆积在一起，就构成了通常的体石墨（图1d）。所以，graphene材料实际就是各种碳基材料的最基本的组成原料。

由此看来，将graphene材料直译作“石墨烯”，虽然符合化学名词译法的惯例，但此种译法容易出现混淆。不如采取意译的方式，除保留“石墨”这个词根外，再加上“单原子层”的含义――即“单原子石墨膜”（简称石墨膜）为妥。本文将采用这一译名，对这种材料的能带结构、性能、可能的应用前景以及主要的制备方法做一简单介绍，以供参考。

一 单原子石墨膜能带结构及性质

单原子石墨膜（以下简称石墨膜），是碳原子在二维平面上按蜂房（苯环）结构密集排列的一层单原子碳薄膜。每个碳原子最外层4个电子，占据1个2s轨道和3个2p轨道。当碳原子彼此靠近形成单原子层碳晶格时，2s轨道与分子平面内的2个2p轨道重叠（sp2杂化），形成 σ-σ* 强共价键。此键十分坚固，把碳原子紧密地连接在一起，形成二维平面内的蜂房结构。此键对碳晶格的电导没有贡献。碳原子外层电子中剩下一个未成对的2p轨道，其方向垂直于分子平面，在形成碳晶格过程中，杂化形成π键（价带）和π*（导带）。导带与价带，在蜂房结构晶格布里渊区顶角的两个不等价点K和K’（称之为“狄拉克点”）相互接触。低能量能带结构，近似为K和K’点上的两个对顶角园锥（图2）。在狄拉克点附近，载流子能量色散关系是线性的，电子的动力学是按“相对论”处理。导带与价带的电子态具有相反的手征性（chirality）。当多数电子具有相同的手征性时，其相互作用能量降低。这点，与铁磁物质中大多数粒子具有相同自旋时，其相互作用能量降低类似。

由于石墨膜这种特殊的能带结构，使其载流子具有非常独特的物理性质。通常，在凝聚态物理中，采用薛定谔方程就足够描述材料体系的电学性质。例如，在典型的半导材料中，电子与空穴（荷正电载流子）分别占据导带和价带。导带和价带之间存在一个有限能量的带隙。载流子获得超过带隙的能量后，才能从价带跃迁到导带。电子与空穴的运动，符合一般粒子的运动规律：它们具有质量，当它们被加速时，其速度从零开始增加，而且它们的动能正比于其速度的平方。然而在石墨膜中，电子与空穴的行为完全不同于常规粒子运动规律：这里的电子与空穴具有一个恒定的速度VF (费米速度)，它不依赖于粒子运动的动能, 这一点类似于光子的行为，即光子总是以恒定光速c（约3×1010cm/s）运行。而在石墨膜中，电子与空穴的速度要比光速慢，大约是光速的1/300，即费米速度VF≈1×108cm/s。电子与空穴的运动规律不能再用薛定谔方程描述，而是要采用（2+1）维的狄拉克方程精确描述。这类准粒子称为无质量狄拉克-费米子。在形式上可以把它们看作是失去了静止质量（m0）的电子，或者是获得了电子电荷（e）的中微子。因此，实验研究石墨膜材料的电学性质，可以为从理论上探索量子电动力学（quantum electrodynamic, QED）现象开辟出一条实验研究的路径，这在基础科学研究中具有重要意义。

此外，石墨膜的特殊电子态结构，也极大地影响其中的量子输运现象。众所周知，当电子被限制在二维半导体材料中时，能够观察到量子力学增强输运现象，例如量子霍尔效应（quantum hall effect，QHE）：即在垂直于霍尔样品平面的磁场作用下，霍尔电导率（σxy）与载流子浓度（n）之间出现一系列等间距的导电率“平台”。与这些平台相对应，霍尔样品纵向的电阻率（ρxx），降低到近似为零的极小值。这个现象被称之为“量子霍尔效应”［4］。然而，对于通常的二维半导体系统，这些电导率平台与纵向电阻率极小值，是出现在传导量子（e2/h）（其中e为电子电荷，h为普朗克常数）为整数值（或分数值）的位置。对于石墨膜而言，这些平台和电阻率极小值是出现在传导量子为半整数值的位置上［3］（图3）。不仅如此，对于通常的二维半导体材料，只能在极低的温度下（例如液氦温度），才能观察到量子霍尔效应。但对于石墨膜，甚至在室温下，还能观察到这个现象［5］。这是因为在石墨膜中，载流子的行为如同一个无质量的相对论粒子（狄拉克-费米子），而且，即使在室温下，它们与声子的散射速率也是极低的缘故。

在石墨膜中，实验测量出的电子与空穴迁移率，在室温下均能超过1.5×104cm2/Vs( 4K下约为6×104cm2/Vs)。如此高的迁移率表明，载流子的运动主要是受杂质或缺陷的影响。因此，改善石墨膜晶格质量，预期迁移率或许可以达到 1.0×105cm2/Vs。虽然在所有半导体材料中，锑化铟(InSb)半导体材料具有最高的室温迁移率（7.7×104cm2/Vs），但该值是从未掺杂的高纯材料获得。一般来讲，其载流子浓度是非常低的。然而，在石墨膜中，即使在较高的载流子浓度下（n>1012/cm2），其迁移率（μ）仍然很高。换算成粒子的平均自由程长度在亚微米范围（约0.4μm）。也就是说，一个荷电载流子，大约要运行通过2800个原子间距之后才能被散射一次。这说明，在亚微米范围内，载流子实际上是弹道运行的。这种特性在高速高频碳基电子器件的实际应用中具有十分重要的意义。

二 单原子石墨膜的应用

石墨膜中载流子显示出极高的迁移率，其值不仅较硅（Si）大约100倍，比目前认为最高速材料――晶格匹配的磷化铟（InP）也高出大约10倍。因此特别适合于制备射频场效应晶体管（RF-FET）。研究者在一个2英寸的半绝缘高纯碳化硅（6H-SiC (0001)） 衬底的硅面上［6］，采用高温（1450℃）热退火方法，生长出石墨膜（单层或双层）材料。以氧化铪（HfO2）作为栅介质，制备成场效应器件，在2英寸的片子上，霍尔迁移率在900～1520cm2／Vs范围。载流子浓度约为3×1012/cm2,场效应晶体管的截止频率（f T）在射频（RF）范围。对于栅长240nm, fT高达100GHz。而同样栅长（240nm）的硅基金属氧化物――半导体场效应晶体管（MOSFET），其fT 约为40GHz ，仅为石墨膜器件的2/5。在超高频模拟晶体管器件方面，目前主要以砷化镓（GaAs）基器件为主，称之为高电子迁移率晶体管（HEMT）,应用在通讯技术领域。尽管采用石墨膜制备的高电子迁移率晶体管，其工作频率还不如砷化镓基器件，但从石墨膜所显示的室温弹道输运特性推测，对于典型的100nm沟道而言，载流子在源和漏极之间渡越时间仅需0.1 ps。如果石墨膜器件，在制备过程中仍能保持高的迁移率，例如达到2×104cm2/Vs, 在栅长为50 nm 时，场效应晶体管的截止频率（fT）有望达到太拉赫兹［7］，这将成为石墨基纳米电子学的重要里程碑。

在光电子器件应用方面，通常的无机化合物半导体材料，如砷化镓、氮化镓（GaN）等，比有机光电子材料有许多优越之处：高的载流子迁移率，高的辐射复合速率以及长期工作的稳定性和可靠性等等，使这些无机化合物半导体材料，十分适合于制备光电子器件，如光发射二极管（light-emitting diode, LED）等。然而，在大面积、可弯曲甚至可折叠的屏幕显示，或者大面积、低成本的太阳电池等应用中，上述无机半导体材料的应用，受到很大的限制。一方面由于这些材料是外延生长在晶体（如硅、蓝宝石、碳化硅等）衬底上，成本高而且尺寸不可能太大。另一方面，由于外延材料与晶体衬底之间结合得十分紧密，高的机械与化学稳定性，导致很难把外延层从衬底上剥离下来，极大地妨碍了其大规模应用。石墨膜材料的出现，或许能为解决这些难题提供了一种可能的选择途径。正如前面提到的，石墨膜在同一层碳原子之间，彼此是由强共价键结合在一起，十分牢固；而在层与层之间，是靠很弱的范德华分子键结合，使层与层之间容易分离开。利用石墨膜的这种性质，研究者［8］以它作为衬底，先在其上生长出高密度氧化锌（ZnO）纳米柱，作为中间介质层，再在其上外延生长出高质量的氮化镓。这种氮化物薄膜显示出极佳的室温下与激子相关的近带边光致发光（PL）峰，和十分微弱的深能级发射，表明氮化镓薄膜具有极高的光学质量，完全适合于制备光电子器件。不仅如此，利用石墨膜层与层之间易于剥离的特性，能将生长在其上的氮化镓外延层剥离下来，并转移到其他衬底上，例如金属、玻璃和塑料上。采用这些衬底制备的氮化镓光发射二极管，都能发出很强的蓝光，在整个300×300μm2的面积上发光均匀。在通常的室内照明条件下，用肉眼清晰可见［8］。当泵浦功率进一步增加后，引起受激发射，实验测定的阈值泵浦功率约为0.6 MW/cm2。与生长在蓝宝石、硅以及碳化硅衬底上的氮化镓器件，阈值在0.56~0.70MW/cm2值类似。此外，对于大功率光发射二极管器件而言，采用金属衬底不仅有极佳的导电性，而且还可提供良好的热传导性，有利于器件散热和提高功率。采用玻璃或塑料做衬底，则可将无机半导体材料氮化镓制成大面积、柔软可延展的全彩色光发射二极管显示屏幕，以及光伏器件的功能组件，有利于电子与光电子器件集成。

在气体分子探测方面，目前多采用固体传感器，其灵敏度较高。但在通常的固体传感器中，由于电荷有缺陷的热运动涨落，往往使器件的本征噪声要远超过探测器从单个气体分子收集到的信号，一般会高出几个数量级。而采用石墨膜材料制作传感器［9］，由于它是二维材料，整个表面积都暴露在被测环境中，吸附效率最大化；另外这种材料具有超强的导电性，当吸附或脱附一个气体分子时，会引起载流子浓度的显著变化，对应于器件电阻值呈台阶式改变，灵敏度极高，甚至达到可探测单个气体分子的水平。此外，石墨膜材料，对外部的电场，磁场以及机械应力等也十分灵敏，有望在这些实用领域内开发出新型电子器件。

三 单原子石墨膜的制备

目前，制备石墨膜的方法，主要分为两类：机械剥离法（mechanical exfoliation）［1］ 和外延生长法 （epitaxial growth）［10-12］ 。2004年，两位诺奖得主就是采用第一类方法，首先制备出单原子石墨膜材料的。通常，采用这类方法制备的材料，尺寸较小，在数十微米范围，需要把材料转移到覆盖二氧化硅（SiO2）介质膜的硅衬底上，以便制成霍尔样品，进行电学性质测量。应当指出，采用这种方法制备出的单原子石墨膜样品，测量的电学性质与理论上预期的结果十分一致，大大促进了有关这种新型材料的理论研究与应用开发。第二类方法是，在一定的衬底表面上外延生长出大面积石墨膜材料。这类方法的优点是，可以生长出满足器件工艺要求的大面积材料，可为批量制备碳基纳米器件提供支撑。当前，这类技术有两个发展方向：一是在金属表面（例如镍（Ni）［10］, 铜（Cu）［11］, 铂（Pt）［12］ 等）上，化学气相淀积生长大面积石墨膜材料；二是采用宽禁带半导体材料碳化硅的温度感生分解法（temperature-induced decomposition ）制备［13］。第二种方法是在高温（例如 1450℃）下，使碳化硅表面的硅升华，在衬底表面上形成富碳的单原子石墨膜。由于碳化硅本身可以是绝缘的，因此无需再将单原子石墨膜外延层转移到其他绝缘衬底上，无疑在器件工艺方面是一项十分重要的优点。单原子石墨膜应用技术的关键要素是：控制厚度的均匀性，生长大面积薄膜的能力，降低缺陷密度以及提高材料的质量。

四 小 结

单原子石墨膜材料，是碳原子以σ-σ* 强共价键互相连接的二维六角形网络。具有优异的载流子输运特性，其电子的费米速度约为108cm/Vs［14］ 。可用于制备性能优于传统半导体材料，如硅、锗，以及Ш-V族化合物半导体的新一代碳基纳米电子器件与量子集成电路，在基础学科与实际应用两方面都有重要意义。

参 考 文 献

［1］商务印书馆辞书研究中心. 新华词典（2001年修订版）［M］. 北京：商务印书馆. 2001:980,1054.

［2］ Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Science ［J］. 2004, 306: 666-669

［3］ Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Nature ［J］. 2005, 438: 197-200. Zhang Yuanbo, Tan Yanwen, Stomer H L, et al. Nature［J］. 2005, 438: 201-204.

［4］Klitzing von K. Physical Review Letters［J］. 1980, 45: 494-497.

［5］Novoselov K S, Jiang Z, Zhang Y, et al. Science［J］. 2007, 315: 1379.

［6］Lin Yu Ming, Dimitrakopoulos C, Jenkins K A, et al. Science［J］. 2010, 327: 662.

［7］Lin Yu Ming, Jenkins K A, Valdes-Garcia A, et al. Nano Letters［J］. 2009, 9: 422-426.

［8］Chung Kunook, Lee Chul-Ho, Yi Gyu-Chul. Science［J］. 2010, 330: 655-657.

［9］Schedin F, Gaim A K, Morozov S V, et al. Nature Materials［J］. 2007, 6: 652-655.

［10］Iwasaki T, Park H J, Konuma M, et al. Nano Letters［J］. 2011, 11: 79-84.

［11］Gao L, Cuest J R, Guisinger N P. Nano Letters［J］. 2010, 10: 3512-3516.

［12］Gao M, Pan Y, Huang L, et al. Applied Physics Letters［J］. 2011, 98: 033101.

篇5

关键词：半导体器件；物理；教学改革

半导体器件物理是微电子学、电子科学与技术等专业的重要专业基础课程，也是应用型本科院校培养新兴光电产业所需的应用技术人才必备的理论与实践基础课程。该课程是连接半导体材料性质和器件应用的桥梁学科，在新兴产业应用技术人才的知识结构中具有重要的基础地位。因此，探讨教学中存在的问题，改革教学的方式方法具有重要意义。

一、课堂教学中产生的问题及原因分析

1.学生听课效率低，学习兴趣淡薄，考试成绩低

以某大学光电行业方向工科专业近三年半导体器件物理考试成绩分布情况为例，表1中近三年学生成绩均显示出60分左右的人数最多，以60分为原点，其高分和低分两侧的人数呈现出逐渐降低的正态分布。从表1中还可以看出，成绩低分人数逐年增多，成绩偏离理想状况较多。

2.针对问题分析原因

导致表1结果的原因有以下三方面：

（1）学生的物理基础参差不齐，知识结构存在断层

近年来，由于高考制度的改革，部分学生参加高考时未选报物理，物理仅作为会考科目使得相当一部分高中学生轻视物理的学习。当学生进入大学，有些专业大学物理成为必修课，由于学生高中物理基础差别很大，因此，同一班级的学生物理学习能力就表现得参差不齐。

对于一般工科专业的学生（包括面向新兴光电产业的工科专业）来说，他们大二或大三开始学习半导体器件物理课程（或半导体物理课程）时，他们的物理基础只有在高中学过的普通物理和大学学过大学物理，其内容也仅涉及经典物理学中的力学、热学、电学和光学的基本规律，而近代物理中的实物粒子的波粒二象性、原子中电子分布和原子跃迁的基本规律、微观粒子的薛定谔方程和固体物理的基本理论均未涉及。半导体器件物理课程的接受对象，不仅在物理基础上参差不齐，而且在物理知识结构上还存在断层，这给该课程的教和学增加了难度。

另外，即使增加学习该门课程所必需的近代物理、量子物理初步知识和固体物理的基础内容，但由于课程课时的限制，也决定了该课程在学习时存在较大的知识跨度，很多学生难以跟上进度。

（2）课程理论性强，较难理解的知识点集中

半导体器件物理课程以半导体材料的基本性质和应用为基本内容，内容编排上从理想本征半导体的性质和半导体的掺杂改性，到P型半导体和N型半导体结合形成半导体器件的核心单元，再到各种PN结的设计和控制，采取层层推进的方式，逻辑严密，理论性强，对学生的要求也高，每一部分的核心内容都要扎实掌握才能跟上学习的进度。同时，在各章内容讲解过程中几乎都有若干较难的知识点，如本征半导体性质部分的有效质量、空穴的概念、能带的形成、导带和价带的概念等；半导体掺杂改性部分的施主、受主、施主能级、受主能级、半导体中的载流子分布规律、平衡载流子和非平衡载流子以及载流子的漂移和扩散运动；简单PN结部分的平衡PN结、非平衡PN结、PN结的能带和工作原理；不同专业在PN结的设计和控制这部分会根据所设专业选取不同的章节进行学习，面向光电行业的本科专业则通常选取半导体的光学性质和发光这部分来讲授，该部分包含半导体的跃迁类型，以及半导体光生伏特效应和发光二极管等的工作原理。这些知识点分布集中，环环相套，步步递进，因此理解难度较大。

（3）学习态度不端正的现象普遍存在

近几年，在社会大环境的影响下，学习态度不端正现象在本科各专业学生中普遍存在。无故迟到旷课情况经常发生，作业抄袭现象严重，学生独立思考积极性差。电子产品的普及也严重影响到了学生上课的积极性，很多学生成了手机控，即使坐在课堂上也频频看手机、上网。有些学生上课连课本都不带，更谈不上用记录本记录重点、难点。特别是半导体器件物理这门课程涉及的知识点密集，重点、难点较多，知识连贯性要求高，如果一些知识点漏掉了，前后可能就连贯不起来，容易使疑难问题堆积起来，对于不认真听讲的部分学生来说，很快就跟不上进度了。另外，学生畏难情绪较严重，课下也不注意复习答疑，迎难而上的精神十分少见。俗话说，“师傅领进门，修行在个人。”在课时紧张、学生积极性差、课程理论性强等多重因素影响下，教师的单方面努力很难提高课堂教学效率。

二、改进方法的探讨

针对教学过程中发现的问题，本文从教学方法和教学手段两个方面入手来探讨该课程教学的改进。

1.教学方法的改革

半导体器件物理课程教学改革以建设完整的半导体理论体系和实践应用体系为目标，一方面，着重在教学观念、教学内容、教学方法、教师队伍、教学管理和教材方面进行建设和改革，形成适合应用型本科专业学生的课程体系。另一方面，我国本科院校正处于教育的转型发展时期，围绕应用型人才培养目标，按照“专业设置与产业需求相对接、课程内容与职业标准相对接、教学过程与生产过程相对接”的原则，半导体器件物理课程改革重视基础知识和基本技能教学，力争构建以能力为本的课程体系，做到与时俱进。本课程改革具体体现在以下六个方面：

（1）转变教学观念

改变传统向学生灌输理论知识的教学观念，以学习与新兴行业相关的基础知识和关键应用技术为导向，确定该课程在整个专业课程体系中承上启下的基础性地位，在教学观念上采取不求深，但求透的理念。

（2）组织教学内容

为构建以能力为本的课程体系，本课程改革在重视基础知识和基本技能的教学、合理构建应用型人才的知识体系的同时，力争使学生了解半导体器件制作和应用的职业标准及其发展的热点问题，并积极实现“产学研”一体化的教学模式，故此本课程改革分几个层次组织教学内容。

第一层次为基础知识铺垫。为解决学生知识结构不完整的问题，在讲授半导体器件物理之前要进行固体物理学课程知识的铺垫，还要增加近论物理学知识，如原子物理和量子力学的知识，为学生构建完整的知识框架，降低认知落差。

第二层次为半导体物理基本理论，也是本课程的主体部分。包括单一半导体材料的基本性质、半导体PN结的工作原理、常见半导体结构的工作原理和半导体的光电及发光现象和应用。

第三层次为课内开放性实验。在理工科学生必修的基础物理实验项目（如“电阻应变传感器”、“太阳电池伏安特性测量”、“光电传感器基本特性测量”、“霍尔效应及其应用”等）的基础上，结合专业方向设置若干实验让学生了解半导体电子和光电器件的类型、结构、工作原理及制作的工艺流程以及职业要求和标准，还有行业热点问题，激发其学习兴趣，提高动手能力和实践能力。

第四层次为开展课题式实践教育，实现“产学研”一体化。为解决传统教学理论和实践脱节问题，以基础物理实验项目和针对各专业方向设置的与半导体器件应用相关的实验项目为实践基础，开展大学生科技创新活动，鼓励学生利用课余时间进入实验室和工厂企业，利用已学理论对行业热点问题进行思考和探究，加强实践教学。

（3）调整教学方法

一方面，要正确处理物理模型和数学分析的关系，不追求公式推导的严密性，强调对物理结论的正确理解和应用。另一方面，充分利用现代化的教学设施和手段，变抽象为具体，化枯燥为生动，采用讨论式、启发式和探究式教学，调动学生积极性和主动性。

（4）建设教学队伍

对国内知名院校的相关专业进行考察和调研，学习先进教学理念和教学方法，邀请国内外相关专业的专家进行讲座，邀请企业高级技术人才和管理人才作为兼职教授来为学生讲授当前最前沿、最先进的技术及产品，并参与教学大纲及教学内容的修订。另外，鼓励教师团队充分利用产学研践习的机会深入企业，提高教师队伍的实践经验和综合素质，为培养双师型教师打下基础。

（5）完善教材体系

教材是保证教学质量的重要环节，也是提高专业教学水平的有效方法。针对理工科专业特色方向及学生培养的目标，除选用经典的国家级规划教材――《半导体物理学》以外，还组织精干力量编写专业特色方向的相关教材，以形成完善的半导体理论和实践相结合的教材体系，在教材中融入学校及专业特色，注重理论和实践相结合，增加案例分析，体现学以致用。

（6）加强教学管理

良好的教学管理是提高教学质量的必要手段。首先根据学生特点以及本课程的教学目标合理制订教学大纲及教学计划。在授课过程中充分发挥学生主体作用，积极与学生交流，了解学生现状，建立学生评价体系，改进教学方法、教学手段及教学内容等，提高教学质量。

2.教学手段改革

（1）采用类比的教学方法

课堂上将深奥理论知识与现实中可比事物进行类比，让学生易于理解基本理论。例如，在讲半导体能带中电子浓度计算时，将教室中一排排桌椅类比为能带中的能级，将不规则就座的学生类比为占据能级的电子，计算导带中电子的浓度类比为计算教室中各排上学生数量总和再除以教室体积。让学生从现实生活中找出例子与抽象的半导体理论进行形象化类比，帮助学生理解半导体的基本概念和理论。

（2）采用理论实践相结合的方法

在教学中时刻注意理论联系实际的教学方法，例如，根据学生专业方向，在讲述宽带隙半导体材料的发光性能时，给学生总结介绍了LED芯片材料的类型和对应的发光波长，让学生体会到材料性质是器件应用的基础。

（3）构建网上学习系统

建立纸质、网络教学资源的一体化体系，及时更新、充实课程资源与信息，通过网络平台建设，实现课程的网络辅助教学和优秀资源共享。这些资源包括与本课程相关的教学大纲、教材、多媒体课件、教学示范、习题、习题答案、参考文献、学生作业及半导体行业发展前沿技术讲座等。

（4）开展综合创新的实践

充分利用现有的实验条件，为学生提供实践条件。同时积极开拓校外实践基地，加强校企合作，为学生实习、实践提供良好的平台，使课程教学和实践紧密结合。鼓励学生根据所学内容，与教师科研结合，申请大学生创新项目，以提高学生实践创新能力及应用能力。

（5）改革考核体制

改变传统以闭卷考试为主的考核方式，在考核体制上采取闭卷、讨论、答辩和小论文等多种评价方式，多角度衡量、综合评定教学效果。

参考文献：

[1]刘秋香，王银海，赵韦人，等.“半导体物理学”课程教学实践与探索[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010（10）：87-88，94.

[2]徐炜炜，黄静.从半导体物理课程教学谈高素质人才培养[J].南通航运职业技术学院学报，2009，8（4）：97-99.

[3]王印月，赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

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关键词：半导体器件物理；教学改革；探索与实践

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）04-0222-03

一、引言

随着全球信息化进程的加快，微电子产业得到了迅速的发展，作为向社会输送技能型人才的高职院校，培养微电子专业学生具备一定理论基础和较强的实践创新能力显得尤为重要。《半导体器件物理》是高职院校微电子专业的一门重要的专业基础课，主要讲授的是半导体特性、PN结原理以及双极型晶体管和MOS型晶体管的结构、工作原理、电学特性等内容，该课程教学的目的是让学生掌握微电子学专业所用的基本器件知识，为学习集成电路工艺和设计打下理论基础。

二、目前课程面临的问题

1.学生的知识基础的不足。要系统而深入地学习《半导体器件物理》课程，一般要求具备量子力学、固体物理及统计物理等前导课程的基础知识。高职院校的学生，虽然是高中起点，但其中有很多文科毕业生，物理、数学基础较差，缺乏现代物理学方面的基本概念和相关理论知识，面对《半导体器件物理》课程的学习，知识上难以顺利衔接。

2.缺乏适合高职学生的教材。高职院校的微电子专业通常起步较晚，目前适合高职教育的《半导体器件物理》教材很少，比较成熟的几乎全部都是本科教材，其基础知识起点较高、数学推导繁杂，内容覆盖太广，不能适应高职学生的需求[1]。

3.教学模式的限制。《半导体器件物理》这门课理论性很强，通常把它定位于纯理论课程，在教学模式上通常以板书为手段，以讲授为主。其实，这门课是一门理论性和实践性并重的专业基础课，要求学生在掌握知识的同时学会科学的思维方法、具备开放的研究能力。但是传统的教学模式对这些能力的培养是一个束缚。

4.教学资源的匮乏。在教学过程中为提高教学效率、增强学生兴趣，强调充分应用现代教育技术和手段。但本课程缺乏直观生动、富有动态变化，切实反映物理过程的辅助用PPT，另外，网络资源很少，学生无法通过现代信息技术手段来实现自主学习。

三、课程教学改革探索与实践

1.编写适合高职学生的教材。基于高职学生的特点和培养高技能应用型人才的目标，在教学内容的选择上应以必须、够用为度，突出基础性、实践性。例如在半导体材料特性这一部分，我们注意和高中物理的衔接，删去K空间、布里渊区等过于艰深内容，增加了原子物理的基本概念，顺利引出能带论。在讲双极和MOS器件时，我们将半导体器件版图的内容渗透到教学内容中，让学生形成基本概念，有利于和《半导体集成电路》、《集成电路版图设计》等课程的衔接；同时引入半导体器件工艺流程，为学习《半导体制造工艺》打下基础，课程的实践性也得以体现。另外，教学过程中的数学推导尽可能简洁或者略去，注重通过图例阐述物理过程，避免学生的畏难情绪。

本课程的内容按照知识内在的逻辑关系，可以分为三个模块。集成电路的设计与制造是围绕着半导体材料特性展开的，是微电子专业课程的基础；PN结原理是双极型晶体管的基础、半导体表面特性是MOS型晶体管的基础；我们把这三块内容确定为基础模块。常规的半导体器件不是双极性型的就是MOS型的，集成电路的基本单元也就是这两种类型的晶体管，这是后续课程学习的关键，也是岗位职业能力的基础。我们把这两块内容定为核心模块。功率器件、太阳能电池、LED属于新兴的产品，对他们的结构原理的介绍也是有必要的，归为拓展模块。教学过程中要夯实基础（模块），突出核心（模块），介绍拓展（模块）。以期打好后续课程的基础，全面培养学生的职业能力。基于上述教学内容选择及组织形式，在多年教学实践的基础上，我们编写了一本文字浅显易懂、图例直观明了、论述明白流畅、数学表达简洁、理论联系实际、内容够用即可的校本教材。通过试用学生反映较好，为教学工作带来极大的便利。目前，教材《半导体器件物理》[2]已由机械工业出版社正式出版。

2.推进理实一体化教学改革。以前，教师通常将这门课当成一门理论课来上，以教师讲课为主，实行的是填鸭式的灌输教育，大部分学生对这种教学模式不感兴趣。笔者以为，《半导体器件物理》这门课是理论性和实践性并重的一门课程。在教学改革中我们将半导体实验嵌入其中，作为理实一体化项目。把原来的验证性实验改变为探究性实验，让学生通过实验现象自行分析研究，发现规律、得出的结论，从而提高学习积极性，增强感性认识，最终达到切实掌握知识的目标。

以PN结的正向特性——肖克莱方程为例，肖克莱方程的引入是个难点，完整的推导至少需要一个课时，作为高职院的学生来说，能听懂的是少数。现在我们讲完正向导通的物理过程之后，运用半导体管特性图示仪测量出PN的正向特性曲线（如图2），然后直接引入肖克莱方程：

I=I■exp■-1

我们根据实测曲线给出理想曲线（如图3）并进行对照，通过对比发现差异，然后介绍阈值电压及其产生机理。这样既避开了烦琐的数学推导，又使得阈值电压的概念能够牢固的掌握。

目前课程运用的理实一体化项目有14个，如表1所示，占约占总课时的30%。

3.采用多元化教学方法。为了帮助克服学生学习“半导体器件物理”课程理论性较强和抽象难懂的困难，我们在实际的教学过程中，多采用启发式和讨论式教学，将理论学习和实践练有机结合起来，增强学生创新思维和参与意识。在课堂教学中，采用启发式教学，注重师生互动，改变以往的灌输教育，使学生真正参与进来，加强他们学习的主动性，提高教学效率。采用讨论式教学可以使学生在学习中由被动变为主动。在课堂上教师提出一些问题，让学生自己查阅相关文献寻找解决的办法。然后就该问题组织学生展开讨论。例如MOS管栅电极两边出现电场峰值，会降低击穿电压，应当怎么改善？在讨论过程中教师总结和点评时，要指出为什么对，为什么错[3]。在教学过程中，课程组设计完成一套多媒体课件，注重反映重要的概念与公式以突出基本概念和基本计算，展示器件等图例，既方便说明问题，又可以减少板书时间，将更多的时间留给学生交流讨论。PPT中还表现了物理现象的变化过程，将抽象理论知识动起来，大大激发了学生的学习热情，加深了学生对理论知识的深刻理解。

4.将版图设计软件引入教学。Cadence virtuoso是一款功能强大的版图设计软件，运用cadence配套的specture仿真工具，也可以对半导体器件进行仿真分析，在这方面cadence软件也有不俗的表现。下面采用该软件对mos特性曲线在不同器件参数下进行量化分析。

图1是标准NMOS器件的特性曲线仿真结果，宽长比为1μm∶1μm；改变其宽长比为1μm∶10μm，特性曲线仿真结果如图2。通过对比让学生理解半导体器件结构参数的改变将造成电学特性的变化，掌握如何合理选择参数的方法。在教学过程中利用版图设计软件来进行仿真，增强了学生的感性认识，有助于学生的对理论知识的理解。同时让学生初步接触专业软件，为后续的《集成电路版图设计技术》等课程打下基础。

5.建立课程网站。目前，课程已建立了网站，将课程信息、教学内容、多媒体课件、课外习题及答案等材料上网。课程网站的设立共享了教学内容，指导学生学习方法，方便学生自主学习。

四、总结与展望

在《半导体器件物理》课程改革的探索实践过程中，我们使用课程组编写的适合高职学生的教材，推进理实一体化的教学模式，在教学过程中恰当的运用启发、讨论等教学方法、制作直观、动态的PPT辅助教学，收到了良好的教学效果，学生在学习过程中的畏难情绪明显减少，主动性得到了显著提升，和往届相比，学习成绩获得一定的提高，后续课程的老师反映学生对基本概念的掌握更为扎实，教学改革获得了初步成效。

目前已建立了《半导体器件物理》课程网站，但是缺乏互动。下一步的设想是：利用学校的Kingosoft高校网络教学平台，创建了《半导体器件物理》教学网站，开展网络化教学。要设立多媒体课件、课程录像、网络资源、交流论坛、课程信息、课外习题、习题解答等栏目，积极拓展学生的学习空间，加强学生之间、教生之间的交流，以期方便不同理论基础的学生进行学习，提高学生的自主学习能力，进一步调动了学习的主观能动性。

参考文献：

[1]陈国英.《半导体器件物理基础》课程教学的思考[J].常州：常州信息职业技术学院学报，2007，（6）.

[2]徐振邦.半导体器件物理[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]李琦，赵秋明，段吉海.“半导体器件物理”的教学探讨[J].南京：电子电气教学学报，2011，（2）.

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>> 催化剂可实现冷核聚变？ “氧核冷裂变”或可改变世界的新能源技术革命 岩性油气藏成藏形成机理 油气藏的形成与甲烷、水合甲烷关系的分析和认识 连续型油气藏形成条件与分布特征 冷核聚变实用化:大突破还是大骗局 原位油气藏特征、形成机制及其资源潜力 地质构造对油气藏形成的影响 鄂尔多斯油气藏形成情况分析 岩性油气藏形成原因分析 兴隆台潜山油气藏钻井技术与方法 油气藏裂缝识别与研究方法 斜坡带隐蔽油气藏勘探与实践 核聚变 天然气水合物羽状流油气藏数值模拟研究 非常规油气藏形成机理及开发关键技术 共生矿品位指标的联合优化 致密砂岩油气藏开发技术 青海油田低渗油气藏缝网压裂技术探索与研究 车排子区块石炭系油气藏地质技术研究与展望 常见问题解答 当前所在位置：l.

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作者简介:许驭,中国原国防科工委新能源试验开发基地科研副总工程师,研究方向:“共生矿的形成机理与生命起源”等自然科学整体化原始创新探索。

附录:

国内外多学科专家高度评价许驭科研组的原创科研成果

肯定许驭原创的多学科汇聚理论创新成果不是他个人的事,而是国家大事,目的是宣传新能源技术革命起源于中国的真实性,以及美国后来居上、中国没有重视的紧迫性。

2009年10月31日,北京相对论研究联谊会、美国《格物》杂志编辑部联合在北京召开第99届卢鹤绂学术论坛,邀请原国防科工委新能源基地副总工、上海恒变新能源研究所所长许驭总工做《低能、中能与高能超分子微腔光子学》主题报告。此次评议会上,以及会前会后,国内外多学科专家高度评价许驭的《低能、中能与高能超分子微腔光子学》原创科研成果。

中国气象科学研究院著名学者任振球教授评介:“科学界主流学派不相信水基燃料(水变油)的真实性,主要原因是理论上讲不通;现在这个重大理论难题被原国防科工委新能源基地许驭总工创立的《高能超分子微腔光子学》基本解决了。许驭教授长期刻苦从事的叫做‘自然科学整体化原创研究’,他以强大的科技资讯全面综合能力,几乎把所有的交叉学科、前沿学科都统起来了,就是把宇观、宏观、微观都统一起来了。”“许驭教授历经18年的艰辛探索研究,在王洪成的技术情报启发下,破解了地球与土卫六油气藏的真实形成过程,创立了“古海洋水中链式‘氧核冷裂变’形成大型油气藏共生矿”理论,实现了“氧核冷裂变”原始创新理论的整体性重大突破。从宏观到微观,许驭已经打破了多学科交叉研究的学术障碍,将天、地、矿、生、数、理、化、医有关多学科前沿知识与实验成果连成一体,做到了融会贯通。一旦获得支持,许驭此项新发现的整体性基础理论原创成果,必将引发一系列新科技革命、新产业革命,其引发的新科技革命和世界经济转型的革命性意义必将载入科学史册。”

北京航空航天大学的高歌教授认为:许驭总工原创的“氧核冷裂变”基础研究不但有广度,而且有深度;从宏观到微观已经连成一条线,做到了融会贯通;这项重大原始创新理论的方向是正确的,其会聚技术的工艺是新型的。清华大学校友、旅美学者王怀安教授认为:许驭提出的“氧核冷裂变”原始创新理论的整体性重大突破以及与“氧核冷裂变”有关的十大新兴战略产业,应该列为比美国“曼哈顿计划”更重大的超“曼哈顿计划”。北京大学楮德萤教授等认为:肯定宣传许驭原创的多学科汇聚理论成果不是他个人的事,而是强调、宣传新能源技术革命起源于中国的真实性,以及美国后来居上、中国没有重视的紧迫性。

北京大学生物工程专家褚德莹教授,中国中医人体科学研究专业委员会主任林中鹏教授,北京总装备部航天医学研究所宋孔智教授等专家,认真听取后认为,许驭提出的发现生物有机半导体与揭示经络本质的新定义,能够自圆其说,比较完美,富有创意性,有助于引发、促进以中医药现代化为主、中西医高层次紧密结合的21世纪新医学的诞生,有利于利及亿万民众、推动低成本整体医疗新技术的组合集成与蓬勃发展。

国际著名的《特勒肖―伽利略科学院》顾问委员会顾问、国际著名物理学家迪耶戈写信给他的中国朋友、英籍华人陈一文先生,对许驭的原创科研成果表达发自内心的赞叹。物理学家迪耶戈教授认为:“许驭教授的原创科研成果是了不得的成就,能学习许驭的科研成果令我激动。我可以想象,许驭教授历经17年的艰辛工作、耐心创立有关自然科学全面理论的背景、汇聚更多新学科的意义以及他所承受的孤独与牺牲。这是了不得的成就!我很想知道许驭的科研工作最终是否能够得到(中国)官方的支持。我已经将许教授的科研成果报告这个消息发给了俄罗斯院士彼得・伽利耶夫(Gariaev)教授,我们计划与伽利耶夫教授一道,继续关注许驭教授此项重大科研成果事态发展。希望邀请许驭教授合作研究科学整体化原创课题。”

国家发改委原副司长严谷良高工,在帮助撰写此课题立项报告时评议:许驭总工历经17年的艰辛探索研究,在吸取国内外多学科相关子课题研究成果的基础上,已经实现了链式“氧核冷裂变”原始创新理论的整体性重大突破。

2009年1月4日至5日召开的量子信息与健康上海论坛上,上海市科委原副主任、上海市针灸经络研究中心创始人、经络专家魏瑚教授、上海市“经络物质基础”课题论证“领军人物、著名经络专家、复旦大学费伦教授,对许驭总工首先把超分子有机半导体量子微腔概念引入经络本质研究领域,从超分子微腔量子光学的新方向提出了经络的新定义,予以高度评价。魏瑚教授认为:从许驭的研究成果看,许驭甘坐十多年冷板凳,潜心学习的自然科学多学科基础扎实,汇聚交叉的新学科多,并且做到了举一反三,融会贯通。能取得这样的原创成果很不容易。

英籍华人、《科技创新社会学》的创立者陈一文顾问于 2010年1月4日在给北京的一位朋友的信件中写道:“根据我了解的国内外原始创新科研成果的情况,许驭教授的科研成果无论就挑战、突破当代占主导地位的多学科基础理论研究方面,就交叉学科前沿的汇聚研究方面,就对于中国以至世界的新兴产业潜在经济效益方面,就解决中国目前面临的最为紧迫的新能源技术战略发展方面,就促进中国科学技术原始创新研究的推动作用等方面,都居领先地位!”

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关键词：计量；实验教学；计量意识

计量是国民经济的重要技术基础，一个国家的计量水平标志着其经济和科学技术发展的水平，一个企业的计量水平决定了其产品技术水平和质量控制能力。没有计量，产品的质量将无法保证；没有计量，经济活动将不能正常运转，公平、公正、诚实、守信就成了一句空话。在经济社会中，计量的经济效益除检定、检测的显性效益外，主要体现在维护正常的经济秩序、保证公平的交易、打破技术性国际贸易壁垒、提高产品质量、正确评定科研、科技水平。特别在医疗卫生、安全防护、节能降耗、社会民生等领域发挥巨大作用。加强计量工作，充分发挥计量在各行业中的技术基础作用，有利于促进技术进步、质量提升和节能减排，保持国民经济又好又快发展，有利于打造和谐、诚信的社会环境[1-3]。

大学物理实验教育作为众多教育领域的重要组成部分，它的基础无疑是测量活动，与计量测试有着密不可分的联系，尤其是理工科高等院校，在实验教育中不断增强计量意识，更应引起足够的重视[4]。

一、计量是科学技术发展的重要基础

计量本身就是科学技术的一个重要的组成部分，任何科学技术，都是为了探讨、分析、研究、掌握和利用事物的客观规律；而所有的事物都是由一定的“量”组成，并通过“量”来体现的。为了认识量并确切地获得其量值，只有通过计量。比如，哥白尼关于天体运行的学说，是在反复观察的基础上提出的，并在伽利略用天文望远镜进行了进一步观测之后而确立的；著名的万有引力定律，被牛顿的敏锐观察所揭示，并在百余年后经卡文迪许的精密测试而得到了确认；爱因斯坦的相对论，也是在频率精密测量的基础上才得到了一定的验证；李政道、杨振宁关于弱相互作用下宇称不守恒的理论，也是吴健雄等人在美国标准局（金标准技术研究院）进行了专门的测试才验证的。总之，从经典的牛顿力学到现代的量子力学，各种定律、定理，都是经过观察、分析、研究、推理和实际验证才被揭示、承认和确立。计量正是上述过程的重要技术基础。

历史上三次大的技术革命，都充分地依靠了计量，同时也促进了计量的发展。

以蒸汽机的广泛应用为主要标志的第一次技术革命，在蒸汽机的研制和应用的过程中，需要对蒸汽压力、热膨胀系数、燃料的燃烧效率、能量的转换等进行大量的计量测试，发展起力学计量和热工计量；另外，机械工业的兴起，使几何量的计量得到了进一步的发展。

以电的产生和应用为基本标志的第二次技术革命中，各种热电偶的研制成功，对温度计量、电工计量、以及无线电计量等提供了一种重要手段；迈克尔逊等人为了实际测量地球运动的相对速率，研制出了迈克尔逊干涉仪，从而为长度计量提供了一个重要方法；爱因斯坦成功地解释了光电效应，成了热辐射计量的理论基础，使计量开始从宏观进入微观领域；随着量子力学、核物理学的创立与发展，电离辐射计量逐渐形成。

以核能及化工等的开发与应用导致的第三次技术革命中，原子能、化工、半导体、电子计算机、超导、激光、遥感、宇航等新技术的广泛应用，使计量日趋现代化，计量的宏观实物基准逐步向量子（自然）基准过渡。原子频标的建立和米的新定义的形成，有着相当重要的意义。频率和长度的精密测量，促进了现代科技的发展。

至于人们广泛谈论和关注的所谓第四次技术革命的先导是微电子学和计算机，集成电路又可以说是先导的核心。集成电路的研制，依赖于相应的计量保证。比如，硅单晶的几何参数、物理特性，超纯水、超纯气的纯度，化学试剂、光刻胶的性能，膜层厚度、层错位错，离子注入深度、浓度、均匀度以及工艺监控测试图形等的测定与控制，都是精密测量。当前，我国集成电路研制尚比较落后，计量工作跟不上是其中的原因之一。

总之，科学技术的发展，特别是物理学的成就，为计量的发展创造了重要的前提，同时也对计量提出了更高的要求，推动了计量的发展；而计量的成就，又促进了科技的发展。

二、计量测试与实验教育密切相关

除了验证、确认和深化相应的理论课内容，实验教学作为高校理论实践的基础，也是依据实验手段进行的一种测量活动。诸如计量单位的选取，计量检测设备的选用，测量原理及方法和误差理论的研究，测量结果的获得等，其最终目的都是为了获得统一和准确的量值，从而得出正确的实验结果。这正是计量测试技术的核心，也是实验教学的目的。因此可以说，计量测试是实验教育的基础，计量测试技术渗透于实验教育之中。

从计量学的角度研究，计量测试技术是一个综合性体系，它从方案的策划到仪器的配备、测试方法、环境要求以及测试者的操作技能等，无一不对实验结果有着直接的影响。因此，在实验教育中应紧密结合计量测试技术的应用，在实验指导思想上要注意以下几个方面：首先要正确认识计量单位的运用；其次要选用科学合理的生产仪器设备；再次实验指导书是实验教学的指导性文件，对引导启发学生学习有着重要作用，应特别着重于编写有层次、有深度的测量试验原理、程序和数据处理方法。

在实验报告的制作上，侧重于对所得数据和运算结果的分析，以此确认理论知识的正确性。要得到好的实验报告，必须引导学生注意三个关键问题：其一是对理论知识的深刻理解，而不是照抄照搬书本的内容；其二是测试结果的准确和完整，改变现有单一定性实验模式，向综合性实验方向发展；其三是熟悉必要的数据处理方法和依此计算的实验结果的准确度，重点应放在实验结果的分析与改进上。

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>> 针织时装的年轻“探索者” 印尼的历史巡礼 舞者更年轻 对年轻领导者的5个建议 追风者:那些创业的年轻人 基因工程“年轻乐HGH”的缔造者 年轻的探索者——OPPO Finder X907 姜颖志 愿者的年轻管理者 华南理工:年轻的开拓者 次年轻的诺贝尔奖获奖者 年轻时髦的统治者霸道总裁 陈冠丞：年轻的“铜炉守护者” 海尔：捕获欧洲年轻消费者的秘诀 从“人”开始的巡礼 曼联奖杯巡礼的“翅膀” 德克萨斯的美酒巡礼 革命者永远年轻 奋斗者永远年轻 抓住年轻消费者 霞多丽的全球巡礼 常见问题解答 当前所在位置：中国 > 政治 > 年轻的巡礼者 年轻的巡礼者 杂志之家、写作服务和杂志订阅支持对公帐户付款！安全又可靠！ document.write("作者： 肖贞林")

申明:本网站内容仅用于学术交流，如有侵犯您的权益，请及时告知我们，本站将立即删除有关内容。 王润声（右）在美国接受IEEE奖项并与电子器件协会（EDS）主席合影

2013年，美国IEEE电子器件青年科学家奖（IEEE EDS Early Career Award）公布获奖名单，一位中国青年学者的名字出现在其中，他就是北京大学信息科学技术学院副教授王润声。

IEEE（电气电子工程师协会）有五十多年历史。多年来，该协会一直致力于推动电子和信息技术在理论发展和应用方面的进步，它被认为是科技革新的催化剂，也是太空、计算机、生物医学、电气及电子工程领域的权威组织。

经过了推荐、提名、网评、专家讨论等考核环节后，王润声成为IEEE该奖项历史上首位来自非美国机构的获奖者。“学校和实验室的平台好，加上近期国家对科研项目的支持力度很大，甚至一些美国同行也都羡慕我们。”王润声说，“只要平台是良性发展的、机制是不断完善的，换作其他科学家，也一样能取得成果、获得奖励。”

在王润声尚年轻的学术生涯中，IEEE电子器件青年科学家奖是重要节点，直接促使他在半导体新器件研究领域的地位更加令人关注。对于这个风华正茂的年轻学者来说，一场在晶体管研究领域的漫长巡礼才刚刚开始。

北大人的成长

王润声是北大“土著”，从小成绩优秀，是令人艳羡的“别人家的孩子”。起初，王润声的兴趣是物理学，但当年北大物理系在安徽不招收高考生，考虑到当时物理系与微电子系有部分课程交叉共享，王润声因此认为，由微电子专业转向物理专业应该“比较容易”。凭借这个朴素的判断，王润声憧憬着一个物理学家的梦，成了北京大学2001级微电子专业的学生。然而，此后一直到他读博乃至后来成为北大老师，他却都没有再换专业，反倒在微电子的路上越走越远。

王润声是他这一代青年科学家成长之路的典型代表：少了许多国家计划层面的约束，基本可以轻松自由地选择发展方向。他聪明，兴趣广，喜欢对新鲜事物跃跃欲试。在北大，他担任了一年的乒乓球协会会长，后来又加入了学校网球队。这时，王润声常常思考的问题是，“我的专业究竟有什么用？未来有什么发展？”那是青年学子一个迷茫善变的阶段，他的目标不再局限于转战物理专业，还专门用了大半年时间跑到中文系听课，甚至还打算考到中文系读研。他困惑于选择，思考一条最适合自己的专业之路。

回忆起那段日子，王润声说，人之所以对一件事情感兴趣，也许是因为不用面对任何压力，可以自由地做，因为你不必依赖这些有创造性的业余爱好来谋生。但是，如果把兴趣变成工作，你的爱好受到了物质刺激，也许会发现自己逐渐不那么喜欢做这些事了。爱好也不再是用来放松头脑的富有创造性的追求，它变成了养家糊口的工具。而这些压力最终会充满抱怨与不满，最后你会发现自己不但没有工作好，还失去了一个爱好。正如麦克劳德告诫我们的：不要把自己在闲暇时的消遣变成从早八点到晚五点要做的正常工作。经过一番深思熟虑，王润声彻底打消了转专业的念头，继续学习微电子学。

2005年，王润声获推免资格，成为北大微电子专业硕士生。王润声的导师、时任系主任的黄如教授是微纳电子学领域的权威学者。在她的影响和指导下，王润声开启了一段全新的科研之旅。不久后，他的论文先后在学科顶级期刊TED和顶级会议IEDM上发表，当时这在学生中尚属罕见。黄如发现了他的天赋和科研潜力，着意栽培他;于是，王润声选择继续攻读微电子学与固体电子学的博士学位。

2008年，国家通过教育部“国家建设高水平大学公派研究生计划”向国外输送第二批公派研究生，王润声也是其中的一员。他访问的是美国普渡大学（Purdue University）电子与计算机工程（ECE）学院。普渡大学的微电子专业在全美排名靠前，并且很早就与北京大学建立了交流关系。“我是国内培养的‘土鳖’，但在美国，我发现国内微电子领域研究条件其实不错;与国外同行相比，发现自己的专业水平也不错。这说明我们国家自己培养的科研人员并不比别人差，因此我对自己更有信心了。”王润声说。

因为心系国内未完成的研究项目，王润声在普渡大学访问一年后回到北大，于2010年4月师从王阳元院士进入博士后流动站深造，并得到了中国博士后基金的特别资助。2012年3月，王润声被聘为北京大学信息科学技术学院讲师。至此，他由一名北大学生变成了北大的老师，成为一名“彻底”的北大人。

瓶颈与变革

王润声认为，微电子学科发展正处于瓶颈期。最突出的表现是，不论个人电脑、移动通信，还是智能手机，制造商都在拼功耗，因为功耗是目前最大的难题。“什么时候一块手机电池能用一周？”王润声最大的愿望，就是在晶体管器件层面创新，做出更好的晶体管。“产业技术发展不能停滞，否则就变成了传统行业。”

“瓶颈就意味着新的变革即将产生。”王润声的主要工作是新型晶体管研究，这需要同时透彻了解电子学和物理学，并且及时跟进行业前沿最新成果。近年来，以英特尔、IBM、台积电等巨头为代表的微纳电子新技术在行业内持续，产品功耗不断降低。“对未来，5年后、10年后的技术，该如何设计、如何制作，如何在传统的基础上创新？这是我们思考的主要问题。”王润声说。

2014年，王润声的“新型低功耗多栅MOS器件的实验与理论研究”获2014年教育部高等学校科学技术奖自然科学一等奖，个人排名第二。这是一项适用于未来集成电路技术的研究，揭示了纳米尺度多栅器件中的系列特殊物理现象及根源，提出了新的实验与特性表征方法，并延拓了低功耗应用能力，得到了国际半导体产业界的关注。

根据王润声介绍，在技术层面降低晶体管的功耗，主要有三个方面的变革：一是做新的器件结构，二是用更合适的材料替换原有材料，三是改变其工作原理。王润声从本科毕业论文即开始针对新结构器件展开研究。他告诉记者，这方面最有代表性的一项成果是从英特尔22纳米技术代的CPU芯片开始采用的三维晶体管，业内叫做FinFET，外形像鱼鳍（Fin）一样，所以叫作鳍式晶体管;这种结构具有很强的静电学控制能力，从而功耗很低。新材料方面，从英特尔45纳米技术代开始，业界采用氧化铪取代了传统的氧化硅作为栅极绝缘介质材料，从而大大降低了栅极泄漏电流产生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力学隧穿原理改进原有晶体管的开关机制，以期从物理本质上进一步降低器件功耗。

后摩尔时代的创新

晶体管在传统的电子产品应用中，遵循著名的“摩尔定律”不断地等比例缩小以提高集成度，但如前所述，现在已经遇到了发展瓶颈。在后摩尔时代，除了传统的应用，晶体管还可以在物联网、智能传感器、生物医疗（比如可穿戴和可植入的芯片）等新应用中大展身手。在后摩尔时代，晶体管该如何创新、如何发展、如何提高性价比？王润声同黄如教授等组成的团队针对上述问题做技术研究，并有中芯国际等多个大型企业作为合作对象。“产业应用是我们的最终目的。”王润声说，信息产业已经成为国民经济的支柱产业之一，而半导体集成电路产业是信息产业的基石，它的出现使电子设备向着微型化、智能化、高性能和低功耗的方向发展。

像多数科学家一样，王润声也时常陷入困境。比如“有时会陷入一个问题，不停地绕圈”，他的经验是，这时不能轻易放弃，坚持下去才会有突破。“就像打乒乓球。”他说：“有的时候，某一阶段练球会觉得不仅进步缓慢、甚至还有退步，这种情况往往表明是快要‘长球’了，再坚持一下水平就会有明显提高。”

篇10

关键词：培养计划；培养目标；材料科学与工程；麻省理工学院

欧美国家在20世纪60―70年代开始设立材料科学与工程系。名称变更反映了对材料领域研究认识的变迁，即“材料研究需要依据其行为和特征，而不是依据材料类型来进行”。1998年教育部对材料类本科专业目录进行了调整，将原来划分过细的十多个材料类小专业合并成了现在的冶金工程、金属材料工程、无机非金属材料工程、高分子材料与工程、材料物理、材料化学等六个专业。同时，在引导性专业目录中还设置了材料科学与工程一级专业。虽然以材料科学与工程一级大学科来设置专业是必然趋势，但材料科学与工程人才培养模式仍在探索之中[1]。同济大学当年就设置了材料科学与工程本科专业，期望以欧美的模式来培养材料学科人才。实际上，早在20世纪80年代，当时的同济大学建筑材料工程系就为建筑材料专业的本科生开设了材料科学导论、断裂力学、表面物理化学和传热、传质与动量传递（简称三传）4门基础课程。近几年因为参与学院材料科学与工程专业培养计划的修订工作，查阅了国内外许多大学这个专业的培养计划，国内高校在材料科学与工程专业培养计划上的认识一直存在争议。美国麻省理工（MIT）材料科学与工程专业本科培养计划的公开信息最多，不仅有课程列表和学分要求，还有课程的详细简介。尤其是麻省理工的开放课程服务（OpenCourseWare），使得我们还能够进一步了解课程大纲和部分内容。此外，MIT材料学科是USNews全美排名第一的，他们的培养

计划应该具有更好的借鉴意义。本文在反复仔细研究其有关本科培养的各种公开资料的基础上，对其培养计划进行了分析，结合自己的教学工作实践，总结了一些心得体会，希望与国内同行共享。

一、麻省理工材料科学与工程专业的培养计划

MIT材料科学与工程系设3个专业（Course）。其一为一般意义上的材料科学与工程专业（Course 3），学生所得学位是材料科学与工程理学学士（Bachelor of Science in Materials Science and Engineering），其所授学位是被ABET（Accreditation Board for Engineering and Technology，美国工程与技术鉴定委员会）授权的，绝大部分学生都选读这个专业。其二为课程选择度更大的一般专业（Course 3-A），这个专业的毕业生将获得没有特别指定专业领域的理学学士（Bachelor of Science without specification）学位，系里并不寻求ABET对这个学位的授权，只有很少学生选择这个专业，常常是医学、法学、MBA预科生选择这个专业。第三是考古与材料专业（Course 3-C），学生所得学位是考古与材料理学学士（Bachelor of Science in Archaeology and Materials），系里也不寻求ABET对这个学位的授权。从系里是否寻求对所授学位授权就可以看到，MIT材料科学与工程系本科生的主要专业是一般意义上的材料科学与工程专业（Course 3）。后面的讨论主要针对Course 3的培养计划进行。

1. 课程和学分要求

该培养计划的要求包括：（1）MIT的一般要求，共17门课程，其中自然科学6门，人文社科8门，限选科技课程2门，实验课程1门。（2）交流能力课程（Communication Requirement）4门。（3）系内课程，包括一套核心课程（Core subjects，共10门课），一个论文或2个实习以及4门限选课程，合计184～195学分。其2011―2012版本的课程和学分要求见表1，表中课程名称前面的数字表示课程号，后面跟表示学分的数字、课程性质、前修或同修课程号。MIT每门课程的学分由三部分组成，表示学习课程所需要的时间分布，中间用短线隔开，第一个数字表示讲课时间，第二数字表示实验、设计或者野外工作时间，第三个数字表示预习的时间，是以中等学生所需要时间估计的。1个学分大约相当于一学期需要14小时的学习时间。从表 1可见，一般专业课程，预习所需时间是讲课时间的2～3倍。

备注

*可以代替本先修课程的其他先修课程列在课程描述页面。

（1）这些课程可以算作必修课程或者限选课程的一部分，但不能同时计算。

（2）可以选9-12学分。

（3）通过申请，可以被类似课程替代。

2. 限选课程的选择

中列出了21门限选课程，每个学生只需要选择4门课（48学分）。理论上，学生可以在21门课程中任选48学分，甚至经过批准，还可以选择其他系的课程或者研究生课程来代替。实际上，由于材料的范围很广，这些选修课程是根据主要的研究领域来设置的，它们是： 生物与聚合物材料（Bio-and Polymeric Materials），电子材料（Electronic Materials），结构与环境材料（Structural and Environmental Materials），基础与计算材料科学（Fundamental and Computational Materials Science）。

因此，在MIT材料学院的网页上，曾经列出了各领域推荐的限选课程。网页上还列出了每一个方向的咨询教授，以方便对上述领域某一方面更感兴趣的学生选课。

3. 部分课程大纲和教学情况分析

（1）材料科学与工程基础课程

这个课程为15学分（5-0-10），总是与“材料实验”一起选修。课程安排也是交叉进行，实验周不上课，一共有4个实验周。这样，材料科学与工程课程讲课时间就缩短为9周（一个学期14周，最后一周为考试）。其课程安排为周一、三、五各2小时的讲课（lecture），周二和四各1小时的复习课（recitation）。所以一共27次讲课，18次复习课。实际讲课为24次，另外3次课为测验和考试。最后一次考试并不是考全部课程内容，即每次测验和考试都是分段内容。

这个课程由两个教授分别讲授，每个教授都是24次课，因此可以推论，每次每个教授将讲1小时。一个讲授结构和化学键（Structure and Bonding），一个讲授热力学和统计力学学（Thermodynamics and Statistical Mechanics）。

两部分课程分别布置6次作业，每部分每次都是2～3个题目，都有交作业的期限，没有按期交作业的，该次作业成绩为0。作业答案在交作业期限过后就会立即公布。课程总成绩由作业成绩占20%、三次测验占80%构成。得分标准为：总评80分以上A，70～79分为B，55～69分为C，低于55分为不及格。

（2）实验课程

MIT材料系内有2门必修的实验课程，即材料实验和材料综合实验。这两门课程同时还是加强专业交流能力培养的课程，所以，教学过程特别注意专业交流方面（包括论文写作、口头技术报告等）的形式要求。材料实验与材料科学与工程课程同时选修，在2年级第一学期进行。材料综合实验课（Materials Project Laboratory）基本上就是几个同学合作的科研项目，在3年级下学期进行。下面以二年级的材料实验为例，介绍其教学和考评办法。

如前所述，材料实验共4个实验周，实验周没有其他专业课。实验内容包括量子力学原理演示、热力学和结构，同时囊括了几乎全部现代材料分析研究方法（XRD、SEM/AFM、DSC、光散射等），并通过口头和书面方式加强交流能力培养。从教学内容看，这门实验课承担了教授材料研究方法的任务。

一般将50个左右学生（2011年的2年级学生只有43人）分成6个组。每个实验周有3个实验主题，每个主题下面2个实验，2个组共选一个主题，每组选做其中一个实验。6个实验同时进行。一周3次实验，每次4小时。因此，每个组每周只做3个实验（每个主题做1个实验），共12个实验。由于每个组只做了一半的实验，对另一半实验的了解，通过每周2次的1小时交流课程（recitation sections，一般隔天举行）来实现。交流课上，大家各自在黑板上即兴介绍实验的发现，回答教师和同学的提问。

该实验课由3个教授上，其中一个总负责。课程成绩评分标准

二、分析和讨论

1. 关于必修课和选修课

系内必修课程除毕业论文或企业实习外，共有10门。大学一般要求的17门课，理论上可以自由选择，但从表1系内课程的先修课程可以看出，微积分I和II，物理I和II是需要先修的，大学一般要求的6门自然科学课程就去掉了4门，能够自由选择的大学自然科学课程剩下2门。从系里建议的选课表（roadmap）可以看到，另外2门自然科学是化学和生物。所以，自然科学的必修课程实际上相当于14门。

限选课程要求包括GIR类型2门和48学分的系内选修课。有3门系内课程（共39个学分）可以作为GIR课程来选，但不能同时作为系内课程要求的学分。大多数系内选修课程的学分为12分，这样的话，系内限选课48学分需要选读4门。所以，每个学生可以有6门专业选修课程。有意思的是，在表1中只有21门限选课程，而该系主要的研究领域（或者说相当于我们的专业方向）有4个，平均每个方向只有5.25门课。如果去掉2011―2012年新增的2门课程，过去几年只有19门课，平均每个方向只有4.75门课程。看来，MIT材料科学与工程专业的课程设置，并不鼓励学生选单一专业方向的课程。实际上，在以前分专业方向限制选修课时，每个专业方向仅仅提供2～3门课程，进一步的分析见下文。

反观我们的培养计划，我们的专业方向必修课程有5门（14学分），选修课程应选4门（8学分），合计9门课程22学分。因为我们的学分是按照每周上课学时数计算的。如果按照MIT的学分计算方法，学分约为每周上课学时数的3～4倍，考虑到我们的上课周数为17～18周，而MIT才14周，因此，我们的专业方向应选学分至少相当于MIT的88学分，比其4门课程（48学分）的要求多了5门课程（40学分）。可见，我们的培养计划更加注重学生专业方向知识和技能的培养。

另外，MIT材料科学与工程系的研究领域非常广泛，关于其主要研究领域的介绍出现在3个网页上。其一是在该系的学位要求中关于限选课程的介绍网页，4个主要的研究领域分别是生物与聚合物材料、电子材料、结构与环境材料、基础与计算材料科学。其二是在MIT的招生网页，4个主要的研究领域分别是：半导体材料和低维系统（Semiconductor materials and low-dimensional systems）、能源材料（Materials for Energy）、纳米结构材料（Nanostructures）、材料的生物工程（Bioengineering of Materials）。在介绍全体教师（Faculty）的网页，列出了30个研究方向（discipline），共122人次（有重复计算，因为实际教师只有35人），平均每个研究方向4.07人次（或1.17人）。少的方向仅1人如微技术、半导体，最多的是纳米技术，23人次。上面列出的生物工程（包括生物物理和生物技术）9人次，能源材料（包括能源与环境、储能）9人次。人数比较多的研究方向还有结构与环境材料9人次，高分子材料7人次，电、光和磁材料7人次。

可见，尽管MIT研究的材料类型很多，但其本科生培养计划中，涉及具体材料类别方向的课程特别少。

2. 关于考核与成绩

MIT很多课程的成绩评定都包括平时作业和出勤与课堂参与情况。有的课程，考试以外的项目在成绩评定中所占份额可达到50%，有的实验课程则更是高达85%这在一定程度上反映了MIT对大学生平时学习的管理是非常严格的，与我们头脑中关于国外大学生“自由”学习的图像截然不同。

3. 关于选课进度安排

MIT材料系没有规定统一的选课进度表。但从其推荐的选课安排（roadmap）看，具有如下特点：

（1）8门大学一般要求的社科课程（GIR）分布在8个学期选修，即每学期选修1门社科课程；

（2）一年级把大学要求的6门自然科学课程（GIR）学完，包括数学、物理和化学。

（3）二年级起全面进入专业学习。第一学期学习材料科学与工程基础、材料实验2门课程，两门课交叉进行，实验周不上课。上课周每天都有材料科学与工程基础课，实验周每天都有实验或交流，学习安排非常集中。

（4）每学期的课程一般为4门，其中1门为社科课程。

MIT二年级第1学期就学习专业基础课程，这比我们的教学计划提前很多。国内的教学计划进度安排曾经强调，前两年不安排专业课，以至于我们的材料科学与工程课程被安排在第5学期，材料研究方法更是被安排在第6学期，使得高年级学习特别紧张，深入接触专业知识和方法的时间被推迟。

4. 关于培养计划的修订

从网页上能够追溯到MIT材料系1998年的培养计划，其培养计划在2003年做了很大的调整。两者的比较

这两个培养计划的最大差别在必修课，课程名称几乎完全变了。但对比课程名称和教学内容可以发现，新培养计划中的“材料科学与工程基础”包含结构与化学键、热力学与统计力学两大部分内容，分别由两位教授讲授，似乎代替了原来的“材料热力学”、“材料物理化学”和“材料化学物理”3门课程，因为其教材之一仍然是物理化学（Engel， T.， and P. Reid. Physical Chemistry. San Francisco， CA： Benjamin Cummings， 2005. ISBN： 9780805338423）。“材料实验”应该与原先的“材料结构实验”对应，“材料综合实验”应该与原来的“材料加工实验”对应。“材料的微结构演变”与原来的“材料结构”相似。取消了“材料力学”、“材料工程中的输运现象”2门课程。增加了“材料的电光磁性能”、“材料的力学性质”、“有机和生物材料化学”、“材料加工”4门课程。取消2门，合并2门，增加4门，课程总数不变。

选修课变化较小，只是增加了若干课程，特别是生物材料和纳米材料的课程。其实，两门生物材料课程是2000年增加的，当时选修课由4方向增加为5个方向。选修课的最大变化是理论上不再分专业方向，学生可以任意选课。但实际操作时，仍然向学生推荐各专业方向的课程组合。无论如何，每个专业方向的课程不足4门，学生必然需要选修其他方向的课程。

从2003年至今，必修课没有变化，选修课则有一些小的调整（表5）。其中2005年减少了高分子化学、化学冶金学（Chemical Metallurgy）2门课程。增加了2门数学，材料热力学（原来的必修课），先进材料加工，衍射和结构，材料的对称性、结构和张量性质，材料选择，共7门课程。可见，增加的这些课程仍然是与具体材料种类无关的。2007年和2011年分别增加了1门生物材料方面的课程。可见，即使是选修课的调整，仍然在继续加强有关材料行为特征方面的课程，减少有关具体材料种类的课程。

5. 关于培养目标与课程设置

过去，MIT材料科学与工程系培养目标分四类，研究型学位（Course 3）、预科型学位（Course 3A）、实践型学位（Course 3B，2003年取消）和考古型学位（Course 3C）。其中，研究型学位与实践型学位培养要求的唯一差别是不变的，即前者在四年级做毕业论文，后者在二年级暑假和三年级暑假做2个20周的企业实习，其他课程要求完全相同。现在把实践型学位取消了，但仍然保留了学生向这个方向发展的渠道，即学生仍然可以选择做毕业论文或者企业实习，学位合并在研究型学位（Course 3）中。

从2003年培养计划大调整来看，MIT材料科学与工程专业（Course 3）的主要培养目标是让本科毕业生继续深造。也可能是社会需求的变化促使MIT对培养计划进行调整。这从MIT选读实践型学位人数变迁或许可以看出一些端倪（表6）。从1998年到2002年，实践型学位人数多于研究型学位的人数，2002年突然降低，与研究型学位相当。查看大学2年级实践型学位学生注册数，从2002年起突然减少，由原来每年约20人突然减少为6人。2003年培养计划调整当年，还有5人注册为实践型学位，这应该是此前培养计划延续所致。

那么，没有了实践型（Course 3B）学位，是否还有学生仍然会选择实习代替论文呢。下面从2002～2008年MIT材料系本科毕业生去向分析。除了一些研究生院，网页一共列出了38家企业和17家政府部门或咨询机构。统计2002年以后（至2005年结束，当年仅剩下1人）各年4年级实践型学位人数（也约等于当年毕业人数）总和恰为38人，与毕业生去向统计的企业单位数刚好相同。这难道是巧合？是否可以推论，2003培养计划修改之后几乎就没有学生选择去企业实习了？

MIT材料专业取消实践型学位，以及此后可能几乎没有人选择实习代替毕业论文事实，一方面可能与美国产业向国外转移，本国企业对工程师的需求减少有关；另一方面，MIT培养计划中的课程设置调整也起了一定作用。因为选择实践型学位人数锐减在前（2002年），培养计划调整在后（2003年）。培养计划中去掉的必修课“材料力学”和“材料工程中的输运现象”，显然属于工程类课程。因此，其培养计划课程中增加材料研究型基础知识、减少工程知识的倾向十分明显，也说明其培养计划随社会需求进行了及时调整。

另外，尽管2003年培养计划中的必修课有较大调整，但选修课调整比较有限。而且调整前后，没有改变其材料类本科生宽专业培养的模式。

但在选修课中，把专业方向的基础课程去掉，仍然让人有点匪夷所思。例如，高分子化学在高分子材料领域历来就被认为是专业基础课。MIT在2005年却把这门课从本科生培养计划中去掉了。查看其高分子方向研究生培养计划核心课程，可以看到高分子物理化学、高分子合成、高分子合成化学等基础课程。可见，MIT把专业方向的一些基础知识培养放在了研究生阶段。

以上似乎给人这样的印象，如果不继续读研究生，则专业方向的基础知识是不太够的，无形中将人才培养的周期拉长到研究生阶段了。但从我自己教学的经验来看，学习高分子物理就可以了解高分子材料的行为和特征，未必需要清楚地知道高分子材料的合成与制备方法。我的一些研究生以前从未学习高分子方面的课程，为了让他们在研究中能够理解和使用高分子材料，我就是先给他们讲授高分子物理的基本知识。

另外，注意到MIT材料专业研究生数量是本科生数量的2.2倍，有很多研究生来自校外，特别是来自国外。所以，MIT材料专业培养计划中对专业方向选修课程的调整，结合研究生阶段的课程安排，既考虑到了本科宽专业基础的培养模式，又打通了本科生培养与研究生培养之间的关联，在研究生阶段加强专业方向基础知识的培养，也便于接受其他教育背景的学生来读研究生，还是十分合理的。

MIT材料专业的本科培养计划，不断强化了按照材料大类进行培养的模式，必修课和选修课都加强了材料基本行为知识的课程，减弱了材料类别基础知识的课程，把后者移到研究生教育阶段。这说明国外关于“材料研究依据其行为和特征，而不是依据材料类型来进行”的认识形成30多年以来，不仅没有改变，还在进一步加强。MIT在2003年对培养计划大调整时，加强了材料研究基础知识课程，减少了工程类课程，其本科生的主要去向是进一步深造，直接到企业就业的比例急剧减少。本科生阶段加强研究基础知识课程，把专业方向基础知识培养放在研究生阶段，加强了研究生的知识培养，可能是其材料研究能够长期在美国名列前茅的原因之一。