编辑推荐
适读人群 :本书主要作为高等院校通信,计算机、自控、光电等专业本科生学习微电子及IC方面知识的技术基础课教材。 《微电子器件与IC设计基础(第二版)》特点:
系统论述微电子器件理论基础
重点论述集成电路设计的软件、硬件及设计的方法与流程
以CMOS电路为对象,讲述现代新EDA软件的应用及版图设计
将物理、器件和集成电路的理论.技术综合贯通,融为一体
内容简介
《微电子器件与IC设计基础(第二版)》主要讲述微电子器件和集成电路的基础理论。内容包括:微电子器件物理基础;PN结;双极晶体管及MOSFET结构、工作原理和特性;JFET及MES-FET概要;集成电路基本概念及集成电路设计方法。共计7章。
《微电子器件与IC设计基础(第二版)》可作为高等院校通信、计算机、自动化、光电等专业本科生学习微电子及IC方面知识的技术基础课教材。由于采用“积木式”结构,也可作为电子科学与技术及相关专业的本、专科高年级学生及研究生的专业课教材,又可作为从事微电子科学、电子器件、集成电路等工程研究和应用的有关人员的自学教材与参考书。
内页插图
目录
第二版前言
第一版前言
符号表
第1章 半导体物理基础
1.1 半导体材料
1.1.1 半导体材料的原子构成
1.1.2 半导体材料的晶体结构
1.2 半导体中的电子
1.2.1 量子力学简介
1.2.2 半导体中电子的特性与能带
1.2.3 载流子
1.3 热平衡状态下载流子的浓度
1.3.1 电子的统计分布规律
1.3.2 载流子浓度与费米能级的关系
1.3.3 本征半导体与杂质半导体
1.4 载流子的输运
1.4.1 载流子的散射
1.4.2 载流子的漂移运动与迁移率
1.4.3 漂移电流与电导率
1.4.4 扩散运动与扩散系数
1.4.5 电流密度方程与爱因斯坦关系式
1.5 非平衡载流子
1.5.1 非平衡载流子的复合与寿命
1.5.2 准费米能级
1.6 连续性方程与扩散方程
1.6.1 连续性方程
1.6.2 扩散方程
思考题1
习题1
第2章 PN结
2.1 平衡PN结能带图及空间电荷区
2.1.1 平衡PN结能带图
2.1.2 PN结的形成过程
2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布
2.2 理想PN结的伏安特性
2.2.1 PN结的正向特性
2.2.2 PN结的反向特性
2.2.3 理想PN结的伏安特性
2.3 实际PN结的特性
2.3.1 PN结空间电荷区中的复合电流
2.3.2 PN结空间电荷区中的产生电流
2.3.3 PN结表面漏电流与表面复合、产生电流
2.3.4 PN结的温度特性
2.4 PN结的击穿
2.4.1 PN结空间电荷区中的电场
2.4.2 PN结的雪崩击穿和隧道击穿
2.5 PN结的电容
2.5.1 PN结的势垒电容
2.5.2 PN结的扩散电容
思考题2
习题2
第3章 双极晶体管
3.1 双极晶体管的结构
3.1.1 基本结构
3.1.2 晶体管的杂质分布
3.1.3 晶体管的实际结构
3.1.4 晶体管的结构特点
3.1.5 集成电路中的晶体管
3.2 双极晶体管的放大原理
3.2.1 晶体管直流短路电流放大系数
3.2.2 晶体管内载流子的传输
3.2.3 发射效率和基区输运系数
3.2.4 共基极直流电流放大系数
3.2.5 共射极直流电流放大系数岛
3.3 双极晶体管电流增益
3.3.1 均匀基区晶体管直流电流增益
3.3.2 缓变基区晶体管直流电流增益
3.3.3 影响电流放大系数的因素
3.3.4 大电流下晶体管放大系数的下降
3.4 双极晶体管常用直流参数
3.4.1 反向截止电流
3.4.2 击穿电压
3.4.3 集电极最大电流
3.4.4 基极电阻
3.5 双极晶体管盲流伏安特性
3.5.1 均匀基区晶体管直流伏安特性
3.5.2 双极晶体管的特性曲线
3.5.3 Ebers-Moll模型
3.6 交流小信号电流增益及频率特性参数
3.6.1 交流小信号电流传输
3.6.2 BJT交流小信号模型
3.6.3 交流小信号传输延迟时间
3.6.4 交流小信号电流增益
3.6.5 频率特性参数
3.7 双极晶体管的开关特性
3.7.1 晶体管的开关作用
3.7.2 正向压降和饱和压降
3.7.3 晶体管的开关过程
3.7.4 双极晶体管的开关时间
思考题3
习题3
第4章 结型场效应晶体管
4.1 JFET结构与工作原理
4.1.1 PNJFET基本结构
4.1.2 JFET工作原理
4.1.3 JFET特性曲线
4.1.4 夹断电压及饱和漏源电压
4.2 MESFET
4.2.1 金属与半导体接触
4.2.2 MESFET基本结构
4.2.3 MESFET工作原理
4.3 JFET直流特性
4.4 直流特性的非理想效应
4.4.1 沟道长度调制效应
4.4.2 速度饱和效应
4.4.3 亚阈值电流
4.5 JFET的交流小信号特性
4.5.1 JFET的低频交流小信号参数
4.5.2 JFET本征电容
4.5.3 交流小信号等效电路
4.5.4 JFET的频率参数
思考题4
习题4
第5章 MOSFET
5.1 MOS结构及其特性
5.2 MOSFET的结构及工作原理
5.2.1 MOSFET基本结构
5.2.2 MOSFET基本类型
5.2.3 MOSFET基本工作原理
5.2.4 MOSFET转移特性
5.2.5 MOSFET输出特性
5.3 MOSFET的阈值电压
5.3.1 阈值电压的含义
5.3.2 平带电压
5.3.3 实际MOS结构的电荷分布
5.3.4 阈值电压表示式
5.3.5 VBS≠O时的阈值电压
5.3.6 影响阈值电压的因素
5.4 MOSFET直流特性
5.4.1 萨支唐方程
5.4.2 影响直流特性的因素
5.4.3 击穿特性
5.4.4 亚阈特性
5.5 MOSFET小信号特性
5.5.1交流小信号参数
5.5.2本征电容
5.5.3交流小信号等效电路
5.5.4 截止频率
5.6 MOSFET开关特性
5.6.1 开关原理
5.6.2 开关时间
5.7 短沟道效应及按比例缩小规则
5.7.1 短沟道效应的含义
5.7.2 短沟道对阈值电压的影响
5.7.3 窄沟道对阈值电压的影响
5.7.4 按比例缩小规则
思考题5
习题5
第6章 集成电路概论
6.1 什么是集成电路
6.2 集成电路的发展历史
6.3 集成电路相关产业及发展概况
6.4 集成电路分类
6.5 集成电路工艺概述
6.5.1 外延生长
6.5.2 氧化
6.5.3 掺杂
6.5.4 光刻
6.5.5 刻蚀
6.5.6 淀积
6.5.7 钝化
6.6 CMOS工艺中的无源器件及版图
6.6.1 电阻
6.6.2 电容
6.6.3 电感
6.7 CMOS工艺中的有源器件及版图
6.7.1 NMOS
6.7.2 PMOS
6.7.3 NPN
6.7.4 PNI
6.8 CMOS反相器
6.8.1 CMOS反相器的直流特性
6.8.2 CMOS反相器的瞬态特性
6.8.3 CMOS反相器的功耗与设计
6.8.4 CMOS反相器的制作工艺及版图
6.9 CMOS传输门
6.9.1 NMOS传输门的特性
6.9.2 PMOS传输门的特性
6.9.3 CMOS传输门的特性
6.10 CMOS放大器
6.10.1 共源放大器
6.10.2 源极跟随器
6.10.3 共栅放大器
思考题6
习题6
第7章 集成电路设计基础
7.1 模拟集成电路设计概述
7.2 模拟集成电路的设计流程及EDA
7.2.1 模拟集成电路设计一般流程
7.2.2 模拟集成电路设计相关EDA
7.2.3 模拟集成电路设计实例
7.3 数字集成电路设计流程及EDA
7.3.1 数字集成电路设计一般流程
7.3.2 数字集成电路设计相关EDA
7.3.3 Vetiog HDL及数字电路设计
7.4 集成电路版图设计
7.4.1 集成电路版图设计基本理论
7.4.2 版图设计的方式
7.4.3 半定制数字集成电路版图设计
7.4.4 全定制模拟集成电路版图设计
思考题7
习题7
参考文献
附录
附录A 硅电阻率与杂质浓度关系
附录B 硅中载流子迁移率与杂质浓度关系
附录C Si和GaAs在300K的性质
附录D 常用元素、二元及三元半导体性质
附录E 常用物理常数
附录F 国际单位制(SI单位)
附录G 单位词头
前言/序言
《微电子器件与IC设计》一书自2003年出版发行以来,得到了广大读者的大力支持和广泛使用,在此表示衷心感谢!随着时光的推移,微电子领域的新技术、新理论硕果累累,应对飞速发展的形势,根据教学实践需要,修改并更新该教材一些较为陈旧的内容已势在必行。为此,我们编写了《微电子器件与IC设计基础》第一新教材,作为原书的第二版,奉献给广大读者。
本书的内容主要包括:微电子器件物理基础;PN结;双极晶体管及MOSFET结构、工作原理和特性;JFET及MESFET概要;集成电路的含义、类型、结构及工艺等基本概念,并重点论述了集成电路设计的软件、硬件及设计的方法与流程。共计7章。
本书主要供计算机、通信、自动化及光电等IT类专业的本科生及研究生使用。由于他们缺乏固体物理及半导体物理等理论物理基础,也不具备微电子器件方面的必要知识,我们特将有关的物理、器件及集成电路的理论、技术综合贯通,融为一体,使学生们在不多的学时内能较为全面系统地掌握IC设计的理论基础与方法,以满足他们对IC及其设计知识日益迫切的渴求。
微电子与集成电路是一门理论性和实践性都很强的学科,要完全掌握IC设计的技术需要多学科知识的综合运用。为了使读者对微电子器件的理论有一个初步的理解,我们较为系统地论述了微电子器件理论基础,并尽可能简化其繁杂的数学推导。在众多的电路设计软件与方法中,打破了双极、MOS或模拟、数字的分类范畴,而以应用最为广泛的CMOS电路为对象,讲述了现代最新EDA软件的应用及版图设计,以期使本书具有“简明、易读、新颖、实用”的特点。事实证明,在笔者所了解的非微电子专业的学生中,由于学习了本书的课程,毕业后同样能较好地从事他们所喜爱的IC设计工作。
本书第1章由高俊雄老师编写;第2章由陈涛副教授编写;第3、4、5章及符号表等由刘刚教授编写;第6、7章由雷缢铭副教授编写。本书由刘刚教授任主编,负责编写大纲的制定,全书结构、风格的协调及统稿、审阅等工作。
在编写过程中,我们参考了大量国内有关电子器件、晶体管原理、集成电路等方面的传统教材,同时也参考了国际上在该领域内的许多新教材,其中主要的文献资料已详细列于书后,但难免会有未顾及到的,在此一并表示衷心感谢。
在本书成书过程中,得到了多位同行、学生及家人的大力支持,限于篇幅,不能将他们的名字一一列举,谨此表示深深的谢意。
迫于时间仓促,书中疏漏及不妥之处在所难免,敬请广大读者一如既往地给予支持、鼓励和指正。
穿越微观世界,解锁未来科技的基石:数字时代的幕后推手 我们生活在一个被信息洪流裹挟的时代,智能手机、高性能电脑、互联万物,这些曾经的科幻场景早已成为触手可及的现实。而这一切的背后,都离不开一个我们肉眼难以企察的微观世界——微电子器件,以及它们如何被巧妙地组织、协同工作的艺术——集成电路(IC)设计。它们是信息处理的神经,是电子设备的大脑,更是驱动现代文明飞速发展的核心动力。 微电子器件:点石成金的微小奇迹 要理解集成电路的精妙,我们必须先探寻其最基础的构成单元:微电子器件。这些尺寸微乎其微的“小家伙”,却蕴藏着改变世界的巨大能量。它们并非凭空而生,而是基于对物质在微观尺度下电学、光学、磁学等特性的深刻理解而诞生的。 想象一下,一块看似普通的硅片,经过一系列复杂而精密的化学、物理处理,便能孕育出能够控制电子流动的“开关”——晶体管。晶体管,这个被誉为20世纪最伟大的发明之一,正是现代电子学的灵魂。它以极小的体积,实现了对电信号的放大和开关功能,就像一个微型的电子阀门,精确地控制着电流的通断。从简单的逻辑门电路到复杂的处理器,晶体管都是最基本的构建模块。 除了晶体管,二极管也是微电子器件家族的重要成员。它允许电流单向流动,如同一个电子世界的“单行道”,在整流、稳压等电路中扮演着不可或缺的角色。电阻,顾名思义,它的作用是限制电流的流动,为电路提供精确的阻值,如同一个电子世界的“减速带”,帮助我们控制能量的消耗。电容,则像一个微小的“蓄电池”,能够存储电荷,并在需要时释放,在滤波、耦合等电路中发挥关键作用。 然而,微电子器件的精彩远不止于此。随着科技的进步,我们还拥抱了各种各样的半导体材料,如砷化镓、氮化镓等,它们拥有比硅更优越的电学或光学特性,为更高频率、更高功率的器件设计打开了大门。光电器件,如发光二极管(LED)和光电二极管,将电信号与光信号相互转换,点亮了我们的夜空,也构建了光纤通信的基石。传感器件,更是将物理世界的温度、压力、光照等信息转化为电信号,让我们能够感知和理解周围的环境。 这些微电子器件,每一个都凝聚着科学家和工程师们无数的心血和智慧。它们的发展史,就是一部不断挑战物理极限、追求更小、更快、更省电的史诗。它们是现代电子工业的基石,如果没有它们,我们今天所熟知的电子产品将不复存在。 集成电路(IC)设计:精妙绝伦的微观交响曲 如果说微电子器件是乐器,那么集成电路(IC)设计就是作曲家和指挥家。IC设计是将海量微电子器件,在微观尺度上,以一种高度集成、协同工作的方式,构建出具有复杂功能的电子系统。从一块小小的芯片,到我们手中的智能手机、强大的服务器,再到通信基站、汽车电子,都离不开IC设计。 IC设计的过程,是一个从宏观到微观、从概念到实现的复杂而精妙的旅程。它始于系统需求分析,明确芯片需要实现的功能。然后,设计师们会运用数学模型和算法,将这些功能分解成更小的逻辑模块,并将其转化为数字逻辑门和电路。这个阶段,被称为“功能设计”或“逻辑设计”。 接下来,是将逻辑设计转化为物理实现的阶段,也就是“物理设计”。设计师们需要将数百万甚至数十亿个晶体管和其他器件,在芯片的二维或三维空间中进行布局和布线。这需要考虑器件的性能、功耗、散热、信号延迟等众多因素。想象一下,在方寸大小的芯片上,要规划错综复杂的“城市道路”,让数以亿计的“居民”(晶体管)能够高效、稳定地“生活”和“工作”,这绝非易事。 这个过程需要借助强大的EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)工具。这些工具能够帮助设计师完成从逻辑仿真、电路仿真,到版图设计、时序分析、功耗分析等一系列繁琐而关键的步骤。EDA工具的存在,极大地提高了IC设计的效率和精度,使得设计出如此复杂的芯片成为可能。 IC设计不仅仅是技术活,更是一门艺术。它需要设计师具备扎实的理论基础、丰富的实践经验,以及对细节的极致追求。一个优秀的IC设计,能够最大化地利用有限的芯片面积,实现卓越的性能,同时又能控制功耗和成本。 从概念到产品:IC设计的每一个环节都至关重要 IC设计是一个多阶段、多学科交叉的过程。 系统级设计(System-Level Design): 在这个阶段,设计师们会从整体上定义芯片的功能、性能指标、功耗目标以及接口标准。这如同为一栋建筑绘制蓝图,确定整体的规模、功能分区和连接方式。 架构设计(Architecture Design): 在系统需求的基础上,将芯片分解成更小的模块,并定义这些模块之间的交互方式和数据流。这相当于为建筑划分出具体的房间、走廊、楼梯等,并规划它们之间的联系。 逻辑设计(Logic Design): 将架构设计转化为具体的数字逻辑电路,也就是使用逻辑门(AND, OR, NOT, XOR等)来构建实现功能的电路。这个阶段更像是将建筑的抽象功能,转化为具体的结构件和连接方式。 电路设计(Circuit Design): 将逻辑设计转化为具体的模拟或数字电路,并选择合适的器件参数。如果说逻辑设计是搭建骨架,那么电路设计就是在为骨架填充血肉,让其能够实际运行。 物理设计(Physical Design): 这是将电路设计转化为芯片物理版图的过程,包括布局(Placement)和布线(Routing)。设计师们需要将数以亿计的晶体管和连接线,在芯片上进行精密的排列和走线。这个阶段对设计师的空间想象力、几何理解和对物理效应的掌握要求极高。 验证(Verification): 贯穿于IC设计的整个流程,确保设计的正确性和功能性。通过各种仿真和测试手段,找出潜在的错误和缺陷,并进行修正。这是对建筑结构进行严格的质量检测,确保其安全可靠。 制造(Manufacturing): IC设计完成后,就需要交给晶圆厂进行制造。这个过程涉及到光刻、蚀刻、掺杂等一系列极其精密的物理和化学过程,将设计好的版图“印刻”在硅片上。 测试(Testing): 制造完成后,需要对芯片进行严格的功能和性能测试,确保其符合设计要求。 IC设计的未来:挑战与机遇并存 随着信息技术的飞速发展,IC设计领域也面临着前所未有的挑战和机遇。摩尔定律的放缓,意味着我们不能再单纯地依靠缩小器件尺寸来提升性能。如何通过更先进的架构、更优化的设计方法、更创新的材料和封装技术,来持续推动芯片性能的提升,是摆在IC设计工程师们面前的重大课题。 对标人工智能、5G通信、自动驾驶、物联网等新兴技术领域的需求,对高性能、低功耗、高集成度的芯片提出了更高的要求。这为IC设计领域带来了巨大的创新空间和发展机遇。从AI芯片的算力优化,到通信芯片的信号处理能力提升,再到低功耗物联网芯片的续航能力突破,IC设计正在不断地解决这些实际问题,并将科技的边界不断向前推进。 IC设计不仅是一项技术,更是一种思维方式,一种解决复杂问题的能力。它融合了计算机科学、电子工程、物理学、数学等多个领域的知识,要求从业者具备广阔的视野和深入的钻研精神。 结语 微电子器件与IC设计,是构筑数字世界看不见的基石,是驱动现代科技进步的强大引擎。它们是人类智慧的结晶,是改变我们生活方式、拓展我们认知边界的微小奇迹。理解它们,就是理解我们所处时代的脉搏,就是窥探未来科技发展的方向。每一次点击,每一次交互,每一次信息的传递,都离不开它们在微观世界里默默的辛勤工作。它们是现代文明不可或缺的守护者,也是未来无限可能的创造者。