以霍尔效应为例探究半导体物理课程改革方法

以霍尔效应为例 探究半导体物理课程改革 方法

蒋童童，周胜

安徽大学 材料 科学 与工程 学院，安徽省合肥市， 230000

摘要：当今时代科技迅速发展，对高端技术的需求也在不断提高。为了满足社会需求，高校教育知识体系需要更新发展，从而向学生输出先进的知识和理念。本文以霍尔效应为例，探讨如何在半导体课程中引入科研成果和实际应用，丰富课堂教学，拓宽学生的眼界，激发学生的求知欲。通过了解科学的发展，引导培养学生的科研思维。

关键词：理实交融、协同创新；半导体物理；教学研究

近些年，科技对芯片的需求推动着半导体技术的发展。高端技术归根结底需要高科技人才。半导体集成电路/芯片相关设计研究属于技术、人才、资金密集型产业。迫切需要具有半导体知识的高科技人才。而人才的培养与大学的课程教育息息相关。《半导体物理》课程以大学物理和固体物理为逻辑起点，是一门集理论性与应用性为一体的课程。教学内容涉及很多难懂的专业术语、复杂繁琐的理论推导和数学变换求解以及抽象的大样本概率统计思维。造成教师知识输出难，学生接受知识难的问题。因此，迫切需要打破传统单一的教学手段，化繁为简，寓教于乐，寓学于趣。

1 研究背景

本课程旨在使学生在全面了解半导体物理课程中涉及的基本概念、理论和方法的基础上，能够将知识转化成生产力应用到实际生活中^[1]。半导体产业涉及尖端技术是国民经济中具有巨大战略意义的关键性产业，在未来的科技时代发展中举足轻重。该课程本着“以立德树人铸就教育之魂”的理念。引导学生热爱祖国、热爱科学、担负起民族复兴的时代重任^[2]。而新时代的老师应该立足国际学科前沿，围绕当前国家战略需求，结合学科研究特色，为国家培养创新性、实用性、专门性人才^[3]。霍尔效应是带点粒子在磁场的作用下运动发生偏转而产生的现象，其在生活中有着广泛的应用^[4-5]。本文致力于探讨在霍尔效应这一节的教学中与生活实例以及科研成果相结合的具体措施，阐述我们在半导体物理课程改革中的一些尝试。

2 课程教学设计

该课程的设计基于逻辑主线，不断抛给学生问题，并引导学生解决问题。以汽车中的霍尔传感器如何测速这一问题为背景，在分析深入的过程中不断抛出一些问题，并逐一进行解释，引出知识点，最终根据学习的内容，解释霍尔传感器测速的原理（图1），将理论知识与日常可见的应用结合。最后介绍霍尔效应的近期发展、科研成果，告诉学生现代科技的发展。

图1 霍尔效应的教学流程图

在课程开始首先回顾之前的学习内容。在当今信息时代，手机、电脑等高科技产品已经深入我们的日常生活，太阳能电池、发光二级管更是随处可见，我们知道掺杂半导体构成的PN是太阳能电池等器件最基本的组成单元。而在PN结的基础上构成的晶体管是各类电子器件的核心部件。那么半导体材料除了能构成PN，晶体管之外，它还扮演着什么样的角色默默地发挥着作用呢？提出问题1，与学生互动，提高学生在课堂中的参与度。

接着引出这节课的内容。汽车的防抱死制动系统（ABS）大家应该都很熟悉，它可以在急刹车时，继续保持车辆对方向的控制。那么汽车是怎样感应到车轮的转速，从而决定是否启动防抱死系统的呢？回答问题1，同时提出疑问2。引发思考，埋下伏笔，在接下来的教学中揭示答案。同时告诉学生其实这就是半导体的另一个角色，根据霍尔效应原理，制成的霍尔传感器发挥的作用。引出霍尔效应。

介绍什么是霍尔效应。在1879年，年仅24岁的美国科学家霍尔在研究载流导体在磁场中受力情况时发现在载流导体横向出现了电势差。这种现象称为霍尔效应。这个电势差即为霍尔电压。

接着提出疑问3。霍尔效应被发现后的100多年，都没有被大规模商业化应用。而是在二十世纪四十年代半导体工业兴起后，霍尔效应才开始被利用制备成半导体霍尔传感器，发挥出巨大的经济效益。那么商用的霍尔传感器为什么要用半导体材料呢？告诉学生我们了解霍尔效应的机理后就会得到答案，通过激发学生的好奇心，集中学生的注意力。

解释霍尔效应的微观机理。分别定性和定量分析霍尔效应，通过板书推导出霍尔系数的表达式，霍尔电压的方向。最终得出其大小与载流子浓度成反比。回答疑问3，通过估算载流子浓度的数量级，分析金属和半导体的霍尔系数。得出半导体的霍尔系数远大于金属，所以更加灵敏。以讲故事的形式输出知识点。加深学生对知识点的印象。

介绍霍尔效应在生活中的应用与发展，霍尔效应最重要的一个应用就是制作霍尔传感器，解释汽车怎么感应到车轮的转速，从而决定是否启动防抱死系统的原理，回答问题2。利用严密的逻辑关系，推动课程内容的进行。介绍霍尔效应除了可以测速，另一个重要的应用就是充当开关的作用，介绍其应用。将理论课程与日常应用相结合。这样以社会需求为导向，使得课程的内容更具实用性。现代人才的培养应该务实。通过本课程作为一个引导，打开学生走向社会的大门。引导学生利用自己的知识去解释探究生活中的现象。

接着介绍霍尔效应的发展：量子霍尔效应，反常量子霍尔效应，由于涉及的知识比较深，为了避免学生产生疲倦学习状态。可以将课程的理论内容与学生熟悉的情境相连。巧用比喻，帮助学生理解。例如把电子的运动，比喻成人或者汽车的运动。通过类比也可以加深对知识点的印象。量子反常霍尔效应这一发现还处于研究阶段，有待进一步发展。整理相关课题的前沿动态视频、新闻报道，作为补充资料。为了达到更好的教学效果，选用多元媒体方式（如音频，视频，动画），来解决通过单纯口述理解起来比较抽象的问题。用一些视觉冲击比较强的动图吸引学生兴趣。将教学内容进行重组，融入科学研究成果，衔接基础理论与科学研究。将科研成果融进教学内容，可以拓宽学生的眼界，激发学生的求知欲。了解科学的发展，也能引导培养学生的科研思维。

最后让学生思考，如果温度改变，霍尔灵敏度和霍尔电压会有怎样的变化。留给学生一些课后资料，创设学生独立思考空间。结合现代化互联网在课堂教学中的优势，打破时空界线，提高师生沟通效率。建立师生互信关系，利用老师的人格魅力提高学生的学习积极性。将知识点进行剖析，用逻辑思维串成链，辅助学生记忆。通过引入新奇的学习方法和记忆方法，如动画辅助，迁移思维记忆法，强化学生对相关理论知识公式的记忆。并将相关电子版总结资料发给学生，以备及时复习。通过线下和线上教学有机融合的方法，帮助难以到课堂上课的同学参与到教学日常中来。

3 结论

本文中，我们以霍尔效应这一节的内容为例，讨论了半导体物理教学中的探索和改进，详细论述了如何将理论知识与实际应用以及科学研究相结合。方案中通过逻辑线路逐步引导学生的思路，循序渐进输出知识点，运用半导体材料的物理性质分析解释生活实例，进一步探究现代科学的发展，旨在培养具有创新精神的优秀人才。

参考文献：

[1] 汪瑛, 王少熙, 周德云. 大类培养模式下“半导体物理与器件”的教学改革[J]. 电气电子教学学报. 2021,43(03).

[2] 商继敏, 王如梅, 翟玉生, 李森. 半导体物理课程思政内容的挖掘[J]. 科技资讯. 2021,19(14).

[3] 陈显平, 陶璐琪. 产学研结合背景下的“半导体物理”教学改革[J]. 教育教学论坛. 2021,(21).

[4] 何艳, 邓磊, 罗志娟, 喻莉, 周本元. 挖掘霍尔效应中的科学精神与科学方法[J]. 物理与工程,2021,51,5.

[5] 王孟怡, 邱志勇. 导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应[J]. 中国材料进展. 2021, 40(10).

安徽省质量工程项目（2020jyxm0086）；2021年第二批产学研合作项目（202101121001，202101199012，202101100013）。

作者简介：蒋童童（1989-），女，安徽阜阳人，博士，安徽大学副教授，研究方向：纳米功能材料的合成以及应用。