BF:CMOS及其他先導技術特大規模集成電路設計 [美]劉金(Tsu-Jae King L pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] 劉金Tsu-Jae King Liu 科林· 著

圖書標籤:

• 集成電路設計
• CMOS
• 大規模集成電路
• VLSI
• 半導體
• 電子工程
• 劉金
• 特大規模集成電路
• BF:CMOS
• 先導技術

店鋪： 華裕京通圖書專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111593911

商品編碼：29335225597

包裝：平裝-膠訂

齣版時間：2018-04-01

基本信息

書名:CMOS及其他先導技術特大規模集成電路設計

定價：99.00元

售價：80.2元

作者:劉金(Tsu-Jae King Liu) 科林·庫恩(Ke

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2018-04-01

ISBN：9787111593911

字數：

版次：1

裝幀：平裝-膠訂

開本：16開

編輯推薦

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內容提要

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本書概述現代CMOS晶體管的技術發展，提齣新的設計方法來改善晶體管性能存在的局限性。本書共四部分。一部分迴顧瞭芯片設計的注意事項並且基準化瞭許多替代性的開關器件，重點論述瞭具有更陡峭亞閾值擺幅的器件。第二部分涵蓋瞭利用量子力學隧道效應作為開關原理來實現更陡峭亞閾值擺幅的各種器件設計。第三部分涵蓋瞭利用替代方法實現更高效開關性能的器件。第四部分涵蓋瞭利用磁效應或電子自鏇攜帶信息的器件。本書適閤作為電子信息類專業與工程等專業的教材，也可作為相關專業人士的參考書。

目錄

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Contents目　錄
譯者序
前言
部分　CMOS電路和工藝限製
第1章　CMOS數字電路的能效限製2
　1.1　概述2
　1.2　數字電路中的能量性能摺中3
　1.3　能效設計技術6
　1.4　能量限製和總結8
　參考文獻9
第2章　先導工藝晶體管等比例縮放：特大規模領域可替代器件結構10
　2.1　引言10
　2.2　可替代器件結構10
　2.3　總結22
　參考文獻23
第3章　基準化特大規模領域可替代器件結構30
　3.1　引言30
　3.2　可替代器件等比例縮放潛力30
　3.3　可比器件的縮放潛力33
　3.4　評價指標35
　3.5　基準測試結果37
　3.6　總結38
　參考文獻39
第4章　帶負電容的擴展CMOS44
　4.1　引言44
　4.2　直觀展示45
　4.3　理論體係47
　4.4　實驗工作51
　4.5　負電容晶體管54
　4.6　總結56
　緻謝57
　參考文獻57
第二部分　隧道器件
第5章　設計低壓高電流隧穿晶體管62
　5.1　引言62
　5.2　隧穿勢壘厚度調製陡峭度63
　5.3　能量濾波切換機製65
　5.4　測量電子輸運帶邊陡度66
　5.5　空間非均勻性校正68
　5.6　pn結維度68
　5.7　建立一個完整的隧穿場效應晶體管80
　5.8　柵極效率大化84
　5.9　避免其他的設計問題88
　5.10　總結88
　緻謝89
　參考文獻89
第6章　隧道晶體管92
　6.1　引言92
　6.2　隧道晶體管概述93
　6.3　材料與摻雜的摺中95
　6.4　幾何尺寸因素和柵極靜電99
　6.5　非理想性103
　6.6　實驗結果106
　6.7　總結108
　緻謝108
　參考文獻108
第7章　石墨烯和二維晶體隧道晶體管115
　7.1　什麼是低功耗開關115
　7.2　二維晶體材料和器件的概述116
　7.3　碳納米管和石墨烯納米帶116
　7.4　原子級薄體晶體管124
　7.5　層間隧穿晶體管130
　7.6　內部電荷與電壓增益陡峭器件137
　7.7　總結137
　參考文獻137
第8章　雙層僞自鏇場效應晶體管…140
　8.1　引言140
　8.2　概述141
　8.3　基礎物理145
　8.4　BiSFET設計和集約模型152
　8.5　BiSFET邏輯電路和仿真結果157
　8.6　工藝161
　8.7　總結162
　緻謝163
　參考文獻163
第三部分　可替代場效應器件
第9章　關於相關氧化物中金屬絕緣體轉變與相位突變的計算與學習166
　9.1　引言166
　9.2　二氧化釩中的金屬絕緣體轉變168
　9.3　相變場效應器件172
　9.4　相變兩端器件178
　9.5　神經電路181
　9.6　總結182
　參考文獻182
第10章　壓電晶體管187
　10.1　概述187
　10.2　工作方式188
　10.3　PET材料的物理特性190
　10.4　PET動力學193
　10.5　材料與器件製造200
　10.6　性能評價203
　10.7　討論205
　緻謝206
　參考文獻206
第11章　機械開關209
　11.1　引言209
　11.2　繼電器結構和操作210
　11.3　繼電器工藝技術214
　11.4　數字邏輯用繼電器設計優化220
　11.5　繼電器組閤邏輯電路227
　11.6　繼電器等比例縮放展望232
　參考文獻234
第四部分　自鏇器件
第12章　納米磁邏輯：從磁有序到磁計算240
　12.1　引言與動機240
　12.2　作為二進製開關單元的單域納米磁體242
　12.3　耦閤納米磁體特性244
　12.4　工程耦閤：邏輯門與級聯門246
　12.5　磁有序中的錯誤248
　12.6　控製磁有序：同步納米磁體250
　12.7　NML計算係統252
　12.8　垂直磁介質中的納米磁體邏輯255
　12.9　兩個關於電路的案例研究259
　12.10　NML電路建模260
　12.11　展望：NML電路的未來261
　緻謝261
　參考文獻262
第13章　自鏇轉矩多數邏輯門邏輯267
　13.1　引言267
　13.2　麵內磁化的SMG268
　13.3　仿真模型270
　13.4　麵內磁化開關的模式272
　13.5　垂直磁化SMG276
　13.6　垂直磁化開關模式278
　13.7　總結283
　參考文獻284
第14章　自鏇波相位邏輯286
　14.1　引言286
　14.2　自鏇波的計算287
　14.3　實驗驗證的自鏇波元件及器件287
　14.4　相位邏輯器件290
　14.5　自鏇波邏輯電路與結構292
　14.6　與CMOS的比較297
　14.7　總結299
　參考文獻300
第五部分　關於互連的思考
第15章　互連304
　15.1　引言304
　15.2　互連問題305
　15.3　新興的電荷器件技術的互連選項307
　15.4　自鏇電路中的互連思考312
　15.5　自鏇弛豫機製315
　15.6　自鏇注入與輸運效率318
　15.7　電氣互連與半導體自鏇電子互連的比較320
　15.8　總結與展望324
　參考文獻324

作者介紹

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文摘

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序言

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《集成電路設計新紀元：從CMOS到前沿工藝》 本書旨在深入剖析當前集成電路設計領域的核心技術與未來發展趨勢，重點聚焦於超大規模集成電路（VLSI）設計中的關鍵挑戰與創新解決方案。我們將從最基礎的CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術講起，這是現代數字集成電路的基石，探討其原理、特性以及在不同應用場景下的優化策略。隨後，我們將視野擴展至更前沿的先導技術，揭示它們如何推動集成電路性能的飛躍，並為下一代電子設備奠定基礎。 第一篇：CMOS技術基石與設計範式 第一章 CMOS基本原理與工藝 本章將詳細闡述CMOS技術的物理基礎。我們將從MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）的基本結構齣發，深入理解其工作原理，包括溝道形成、開關特性、閾值電壓、跨導等關鍵參數。隨後，我們將探討P型MOS（PMOS）和N型MOS（NMOS）晶體管的協同工作機製，以及它們如何構成邏輯門，實現數字信號的邏輯運算。 在工藝方麵，本章將介紹CMOS製造過程中幾個至關重要的步驟，例如光刻（Photolithography）、刻蝕（Etching）、薄膜沉積（Thin-film Deposition）和離子注入（Ion Implantation）。我們將解釋這些工藝如何在矽晶圓上精確地構建齣微小的晶體管和互連綫，並討論不同工藝節點的演進如何帶來更小的尺寸、更快的速度和更低的功耗。例如，我們將探討短溝道效應（Short Channel Effects）、亞閾值漏電（Subthreshold Leakage）以及如何通過工藝改進來剋服這些挑戰。 第二章 CMOS邏輯電路設計 基於CMOS技術，本章將深入探討數字邏輯電路的設計。我們將從最基本的門電路（AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR）開始，詳細分析它們的CMOS實現方式，並探討其性能指標，如傳播延遲（Propagation Delay）、功耗（Power Consumption）和噪聲容限（Noise Margin）。 接著，我們將轉嚮組閤邏輯（Combinational Logic）和時序邏輯（Sequential Logic）的設計。對於組閤邏輯，我們將介紹邏輯化簡（Logic Minimization）技術，如卡諾圖（Karnaugh Maps）和Quine-McCluskey算法，以及如何利用硬件描述語言（HDL），如Verilog或VHDL，進行高效的設計和驗證。對於時序邏輯，我們將重點講解觸發器（Flip-flops）和寄存器（Registers）的工作原理，以及如何構建狀態機（State Machines）來實現復雜的時序控製。 此外，本章還將涉及CMOS電路的功耗分析和優化。我們將區分動態功耗（Dynamic Power）和靜態功耗（Static Power），並介紹降低功耗的技術，例如時鍾門控（Clock Gating）、電壓頻率調整（DVFS）以及低功耗設計方法。 第三章 CMOS電路的布局與布綫 集成電路設計的性能和可靠性很大程度上取決於其物理實現，即布局（Layout）和布綫（Routing）。本章將詳細介紹CMOS電路的版圖設計規則（Design Rules），這些規則確保瞭電路在製造過程中的可實現性。我們將講解如何根據邏輯功能繪製晶體管的符號化錶示，以及如何將其轉化為實際的幾何圖形，包括多晶矽（Polysilicon）、金屬層（Metal Layers）和通孔（Vias）。 在布局方麵，我們將討論標準單元（Standard Cells）的設計與使用，以及如何高效地安排這些單元以優化麵積和性能。對於更復雜的模塊，我們將介紹模塊化設計（Modular Design）和層次化設計（Hierarchical Design）的理念。 布綫是將不同組件連接起來的關鍵步驟。本章將介紹單層和多層布綫技術，以及如何處理綫延遲（Wire Delay）、串擾（Crosstalk）等問題。我們還將探討自動布局布綫（Automated Place and Route）工具的工作流程，以及設計者如何通過指導和約束來優化布綫結果。 第二篇：先導技術與前沿挑戰 第四章 晶體管結構演進：FinFET及其他 隨著CMOS工藝節點不斷縮小，傳統的平麵CMOS結構麵臨嚴重的短溝道效應和漏電問題。本章將聚焦於新一代晶體管結構，特彆是FinFET（鰭式場效應晶體管）。我們將詳細解釋FinFET的三維柵極結構如何實現更優異的柵控能力，從而有效抑製漏電，提升性能。 我們將深入分析FinFET的工作原理，對比其與傳統Planar MOSFET在載流子傳輸、亞閾值擺幅（Subthreshold Swing）和電流驅動能力等方麵的優勢。同時，本章還將簡要介紹其他前沿的晶體管結構，例如GAAFET（Gate-All-Around FET）等，展望它們在未來集成電路中的潛在應用。 第五章 先進互連技術與三維集成 當晶體管尺寸不斷縮小，互連綫的延遲和功耗成為限製整體性能的關鍵瓶頸。本章將探討先進的互連技術。我們將分析不同金屬材料（如銅、鈷）及其阻擋層（Barrier Layer）的作用，以及新型介電材料（Low-k Dielectrics）如何降低綫間電容。 此外，本章還將重點介紹三維集成（3D Integration）的概念和技術。三維集成通過將多個芯片堆疊或垂直互連，極大地縮短瞭芯片間的通信距離，從而顯著提高性能和集成度。我們將討論TSV（Through-Silicon Via）等關鍵技術，以及三維集成在異構集成（Heterogeneous Integration）方麵的優勢，例如將處理器、內存和傳感器等不同功能的芯片緊密結閤。 第六章 低功耗與高性能設計的新思路 在移動設備、物聯網和高性能計算等領域，對低功耗和高性能的需求日益迫切。本章將深入探討實現這一目標的多種新思路。除瞭前麵提到的CMOS功耗優化技術，我們還將介紹更先進的功耗管理策略，如動態電壓頻率調整（DVFS）的優化應用、動態功耗關斷（Power Gating）的精細化控製等。 在高性能方麵，本章將討論非馮·諾依曼架構（Non-Von Neumann Architectures），如存內計算（In-Memory Computing）和類腦計算（Neuromorphic Computing），它們有望突破傳統計算瓶頸。同時，我們將探討新興的計算範式，例如近似計算（Approximate Computing），它通過犧牲一定的精度來換取顯著的性能和能效提升，在信號處理、機器學習等應用中具有廣闊前景。 第七章 器件級與係統級驗證 集成電路設計的復雜性要求強大的驗證手段來確保設計的正確性和可靠性。本章將從器件級（Device Level）和係統級（System Level）兩個層麵介紹驗證技術。 在器件級，我們將討論如何利用TCAD（Technology Computer-Aided Design）工具進行器件仿真，預測其電氣性能和可靠性。我們將介紹SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）等電路仿真工具，以及如何利用其進行功能和性能驗證。 在係統級，本章將重點介紹形式驗證（Formal Verification）和動態仿真（Dynamic Simulation）的應用。我們將探討如何利用形式驗證來數學地證明設計的某些屬性，以及如何通過大量的測試嚮量和場景進行動態仿真，覆蓋各種操作模式和異常情況。此外，我們將介紹片上測量（On-chip Measurement）和硬件加速驗證（Hardware Acceleration for Verification）等技術，以應對日益增長的設計復雜性。 第八章 可靠性與物理設計挑戰 集成電路在長期運行過程中可能麵臨各種可靠性問題，如磨損（Wear-out）、老化（Aging）和瞬態故障（Transient Faults）。本章將分析這些可靠性問題的成因，例如電遷移（Electromigration）、熱陷（Thermal Runaway）、柵氧化擊穿（Gate Oxide Breakdown）等。 同時，本章也將深入探討物理設計（Physical Design）麵臨的挑戰，尤其是在先進工藝節點下。這包括設計規則檢查（DRC - Design Rule Checking）、版圖寄生參數提取（Parasitic Extraction）、功耗完整性（Power Integrity）和信號完整性（Signal Integrity）分析。我們將介紹如何利用專門的EDA（Electronic Design Automation）工具來解決這些問題，並確保設計的物理實現滿足性能、功耗和可靠性的要求。 第九章 未來展望：超越摩爾定律的創新 在摩爾定律（Moore's Law）逐漸放緩的背景下，集成電路設計正迎來新的創新浪潮。本章將展望未來的發展方嚮。我們將探討新的材料科學進展，例如二維材料（2D Materials）如石墨烯（Graphene）和過渡金屬二硫化物（TMDs）在晶體管和互連中的應用潛力。 此外，本章還將討論量子計算（Quantum Computing）和神經形態計算（Neuromorphic Computing）等顛覆性技術對未來集成電路設計的影響。我們將探討如何設計能夠支持這些新型計算範式的硬件架構，以及它們將如何改變我們解決復雜問題的能力。 總結 《集成電路設計新紀元：從CMOS到前沿工藝》旨在為讀者提供一個全麵而深入的集成電路設計知識體係。從CMOS技術的堅實基礎，到FinFET等先導技術的革命性突破，再到麵嚮未來的創新方嚮，本書力求展現集成電路設計領域不斷演進的脈絡與活力。通過對核心原理、設計方法、工藝技術和前沿挑戰的詳細闡述，本書希望能激發讀者對集成電路設計這一關鍵領域的興趣，並為他們在未來的學習與實踐中提供有價值的參考。

評分☆☆☆☆☆

盡管主題是尖端技術，這本書在引人入勝程度上卻絲毫不遜色於一部精彩的小說。我發現自己常常不自覺地沉浸其中，時間一晃而過，根本沒有察覺到閱讀的“枯燥感”。這大概歸功於作者時不時地穿插一些業界發展史上的關鍵節點和技術轉摺點，讓讀者能夠將書中的理論知識，放置在一個宏大的曆史背景下去審視。例如，當談到某個新工藝的突破時，作者不僅解釋瞭“為什麼能做到”，還深入剖析瞭“為瞭達到這個目標，整個團隊在思路和實驗上進行瞭哪些顛覆性的嘗試”。這種對工程實踐和背後決策過程的挖掘，讓冰冷的電路參數充滿瞭人情味和故事性，仿佛能感受到當年工程師們在無影燈下攻剋難關時的那種激情與智慧的碰撞。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計真是讓人眼前一亮，那種深邃的藍色調，配閤上簡潔有力的銀色字體，立刻就給人一種專業、前沿的感覺。我拿起它的時候，首先注意到的是它厚實的質感，紙張的剋重和觸感都透著一股“硬核”的氣息，這讓我對書中內容的深度充滿瞭期待。從裝幀的細緻程度來看，齣版社顯然對這本書非常重視，這在國內的專業技術書籍中並不多見，往往很多硬核的教材或專著在包裝上會比較隨意，但這本書明顯在細節上做瞭功課，讓人在閱讀之前就對它産生瞭敬意。我猜想，這麼用心包裝的書，內容一定也是經過瞭精心打磨和嚴謹考證的，它不僅僅是一本工具書，更像是一件值得珍藏的藝術品，放在書架上，都能提升整個空間的科技氛圍。那種“大師之作”的氣場，從拿到手的那一刻就已經撲麵而來瞭，讓人忍不住想立刻翻開，去探索它所蘊含的奧秘。

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本著作的初體驗，就像是進入瞭一個由無數精密齒輪構成的復雜機器內部，每一個章節的銜接都設計得極其巧妙和連貫。作者的敘事方式不同於許多技術手冊那種枯燥的羅列，而是更像一位經驗豐富的導師，循序漸進地引導你深入到設計的核心迷宮中去。他似乎非常擅長將那些抽象晦澀的半導體物理概念，通過精妙的比喻和實例，轉化為讀者可以直觀理解的圖像。我特彆欣賞作者在論述復雜邏輯電路的構建時所展現齣的那種結構化思維，每一步推導都邏輯嚴密，絕不含糊其辭，仿佛有一條清晰的白綫，始終牽引著讀者的思緒，避免瞭在浩瀚的技術細節中迷失方嚮。這種行文的節奏感，使得即便是麵對全新的設計範式，讀者也能保持一種沉著和自信，而不是被海量的信息壓垮。

評分☆☆☆☆☆

從使用價值來看，這本書的實用性是毋庸置疑的，它為我提供瞭一個堅實可靠的理論基石，去理解和評估當前半導體領域最前沿的發展方嚮。我感覺它不僅僅是一本知識的載體，更像是一把精密的測量尺，讓我能夠用更專業的視角去衡量行業內新湧現的各種概念和産品。讀完之後，我發現自己看待很多行業新聞和技術報告時的深度和廣度都提升瞭一個層次，不再滿足於錶麵的炒作，而是能迅速穿透錶象，直達底層邏輯。這本書所構建的知識體係是如此的紮實和自洽，以至於它已然成為瞭我工作颱麵上最常被翻閱的參考資料之一，每次遇到設計上的瓶頸或概念上的睏惑時，都能從中找到啓發和明確的指引，這比任何快速指南都要來得可靠和持久。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖示水準，簡直達到瞭工業設計的美學高度。我見過太多技術書籍，為瞭節省成本或圖省事，將電路圖畫得像是草稿一樣，參數標注混亂不堪，看得人頭昏腦脹。然而，這本書中的每一個示意圖、每一個波形圖，都像是精心繪製的工程藍圖，綫條清晰、層次分明，關鍵節點的標記精準到位。更值得稱贊的是，作者在關鍵概念的解釋部分，常常會配上那種“三維立體感”的圖示，極大地幫助我理解瞭那些微觀層麵上的電荷運動和載流子行為，那種原本隻能在腦海中艱難構建的畫麵，現在清晰地呈現在眼前。這不僅僅是“看得清楚”，更是“理解得透徹”，這種對視覺傳達的重視，無疑是提升學習效率的巨大助推器，體現瞭作者對讀者體驗的深切關懷。