CMOS集成電路設計手冊(第3版 基礎篇) R. Jacob Baker pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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R. Jacob Baker 著

圖書標籤:

• CMOS
• 集成電路
• 設計
• 模擬電路
• 數字電路
• 微電子學
• VLSI
• Baker
• 教材
• 電子工程

店鋪： 北京群洲文化專營店

齣版社： 人民郵電齣版社

ISBN：9787115337726

商品編碼：29355683907

包裝：平裝

齣版時間：2014-02-01

基本信息

書名：CMOS集成電路設計手冊(第3版 基礎篇)

定價：69.00元

作者：R. Jacob Baker

齣版社：人民郵電齣版社

齣版日期：2014-02-01

ISBN：9787115337726

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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CMOS集成電路設計手冊(第3版 基礎篇)榮獲美國工程教育協會奬
CMOS集成電路設計手冊(第3版 基礎篇)是CMOS集成電路設計領域的書籍，有著以下的優點
1. 專門討論瞭CMOS集成電路設計的基礎知識。
2. 詳細討論瞭CMOS集成電路的結構、工藝以及相關的電參數知識。
3. 理論知識的討論深入淺齣，有利於讀者理解。
4. 對書中涵蓋的內容，作者做瞭較為詳細的描述，細緻入微，有助於讀者打下堅實的理論的基礎。

內容提要

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《CMOS集成電路設計手冊》討論瞭CMOS電路設計的工藝、設計流程、EDA工具手段以及數字、模擬集成電路設計，並給齣瞭一些相關設計實例，內容介紹由淺入深。該著作涵蓋瞭從模型到器件，從電路到係統的全麵內容，是一本、綜閤的CMOS電路設計的工具書及參考書。
《CMOS集成電路設計手冊》英文原版書是作者近30年教學、科研經驗的結晶，是CMOS集成電路設計領域的一本力作。《CMOS集成電路設計手冊》已經過兩次修訂，目前為第3版，內容較第2版有瞭改進，補充瞭CMOS電路設計領域的一些新知識，使得本書較前一版內容更加詳實。
為瞭方便讀者有選擇性地學習，此次將《CMOS集成電路設計手冊》分成3冊齣版，分彆為基礎篇、數字電路篇和模擬電路篇。本書作為基礎篇，介紹瞭CMOS電路設計的工藝及基本電參數知識。本書可以作為CMOS基礎知識的重要參考書，對工程師、科研人員及高校師生都有著較為重要的參考意義。

目錄

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章 CMOS設計概述
1.1 CMOS集成電路的設計流程
製造
1.2 CMOS背景
1.3 SPICE概述

第2章 阱
2.1 圖形轉移
n阱的圖形轉移
2.2 n阱版圖設計
n阱的設計規則
2.3 電阻值計算
n阱電阻
2.4 n阱/襯底二極管
2.4.1 PN結物理學簡介
2.4.2 耗盡層電容
2.4.3 存儲或擴散電容
2.4.4 SPICE建模
2.5 n阱的RC延遲
2.6 雙阱工藝

第3章 金屬層
3.1 焊盤
焊盤版圖設計
3.2 金屬層的版圖設計
3.2.1 metal1和via1
3.2.2 金屬層的寄生效應
3.2.3 載流極限
3.2.4 金屬層設計規則
3.2.5 觸點電阻
3.3 串擾和地彈
3.3.1 串擾
3.3.2 地彈
3.4 版圖舉例
3.4.1 焊盤版圖II
3.4.2 金屬層測試結構版圖設計

第4章 有源層和多晶矽層
4.1 使用有源層和多晶矽層進行版圖設計
工藝流程
4.2 導綫與多晶矽層和有源層的連接
4.3 靜電放電(ESD)保護

第5章 電阻、電容、MOSFET
5.1 電阻
5.2 電容
5.3 MOSFET
5.4 版圖實例

第6章 MOSFET工作原理
6.1 MOSFET的電容迴顧
6.2 閾值電壓
6.3 MOSFET的IV特性
6.3.1 工作在綫性區的MOSFET
6.3.2 飽和區
6.4 MOSFET的SPICE模型
6.4.1 SPICE仿真實例
6.4.2 亞閾值電流
6.5 短溝道MOSFET
6.5.1 MOSFET縮比
6.5.2 短溝道效應
6.5.3 短溝道CMOS工藝的SPICE模型

第7章 CMOS製備
7.1 CMOS單元工藝步驟
7.1.1 晶圓的製造
7.1.2 熱氧化
7.1.3 摻雜工藝
7.1.4 光刻
7.1.5 薄膜去除
7.1.6 薄膜沉積
7.2 CMOS工藝集成
7.2.1 前道工藝集成
7.2.2 後道工藝集成
7.3 後端工藝
7.4 總結

第8章 電噪聲概述
8.1 信號
8.1.1 功率和能量
8.1.2 功率譜密度
8.2 電路噪聲
8.2.1 電路噪聲的計算和建模
8.2.2 熱噪聲
8.2.3 信噪比
8.2.4 散粒噪聲
8.2.5 閃爍噪聲
8.2.6 其他噪聲源
8.3 討論
8.3.1 相關性
8.3.2 噪聲與反饋
8.3.3 有關符號的一些後說明

第9章 模擬設計模型
9.1 長溝道MOSFET
9.1.1 平方律方程
9.1.2 小信號模型
9.1.3 溫度效應
9.2 短溝道MOSFET
9.2.1 通用設計(起始點)
9.2.2 專用設計(討論)
9.3 MOSFET噪聲模型

0章 數字設計模型
10.1 數字MOSFET模型
10.1.1 電容效應
10.1.2 工藝特徵時間常數
10.1.3 延遲時間與躍遷時間
10.1.4 通用數字設計
10.2 MOSFET單管傳輸門電路
10.2.1 單管傳輸門的延遲時間
10.2.2 級聯的單管傳輸門的延遲時間
10.3 關於測量的後說明
附錄

作者介紹

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R. Jacob (Jake) Baker是一位工程師、教育傢以及發明傢。他有超過20年的工程經驗並在集成電路設計領域擁有超過200項的（包括正在申請中的）。Jake也是多本電路設計圖書的作者。

文摘

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序言

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CMOS集成電路設計與優化：從理論到實踐的深度解析 在當今科技飛速發展的時代，集成電路（IC）作為現代電子設備的核心，其設計與製造水平直接決定瞭技術的進步速度與産品的競爭力。CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技術因其低功耗、高集成度和良好的驅動能力，已成為大規模集成電路設計中最主流的工藝技術。本書旨在為讀者提供一個全麵、深入的CMOS集成電路設計知識體係，從最基礎的器件原理齣發，逐步深入到復雜的電路設計方法、性能優化策略以及實際的製造工藝考量，力求幫助讀者建立起紮實的理論基礎和豐富的實踐經驗，最終能夠獨立完成高質量的CMOS集成電路設計。 第一部分：CMOS器件與工藝基礎 本部分將從最底層的物理器件齣發，為讀者構建對CMOS技術核心的深刻理解。我們將詳細闡述MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的結構、工作原理、電學特性以及各種模型。從載流子傳輸、閾值電壓、柵極電容、漏極電流等基本概念入手，逐步深入到亞閾值區、強反轉區等不同工作狀態下的電流-電壓關係。同時，我們將詳細介紹CMOS工藝的各個關鍵步驟，包括矽襯底的製備、摻雜、氧化、光刻、刻蝕、金屬互連等，並重點講解這些工藝過程對MOSFET性能的影響。理解這些基礎知識，是後續進行電路設計的前提，能夠幫助讀者更好地預測和控製電路的行為。 MOSFET工作原理與模型： MOSFET結構解析： 深入剖析N溝道MOSFET（NMOS）和P溝道MOSFET（PMOS）的物理結構，包括源極、漏極、柵極、襯底以及它們的幾何尺寸和材料特性。 電場效應與載流子注入： 詳細講解柵極電壓如何通過電場效應控製襯底中的載流子濃度，從而形成導電溝道。 閾值電壓（Vt）的形成與影響： 探討閾值電壓的物理意義，以及它如何受到氧化層厚度、柵極材料、摻雜濃度等因素的影響。 不同工作區域的I-V特性： 精確描述MOSFET在截止區、綫性區（或稱三極管區）、飽和區下的電流-電壓特性麯綫，並推導相應的解析模型，如平方律模型。 高級MOSFET模型： 引入更精確的DC和AC模型，如BSIM等，以捕捉短溝道效應、薄柵氧化層效應、量子效應等，這些模型對於現代深亞微米工藝下的電路設計至關重要。 寄生效應分析： 詳細分析MOSFET的寄生電阻、寄生電容，以及它們對電路速度和功耗的影響。 CMOS工藝流程詳解： 晶圓製備： 從高純度矽晶棒的生長到晶圓的切割與拋光，介紹CMOS工藝的基礎材料。 氧化與生長： 講解乾氧化、濕氧化等工藝，以及熱氧化層作為柵介質的重要性。 摻雜技術： 介紹離子注入和擴散技術，以及它們如何精確控製NMOS和PMOS的摻雜濃度。 光刻技術（Lithography）： 詳細講解光刻的基本原理，包括光刻膠、掩模版、曝光和顯影過程，以及其分辨率對器件尺寸的決定性作用。 刻蝕技術（Etching）： 區分乾法刻蝕（如等離子刻蝕）和濕法刻蝕，並討論它們的優缺點及其在不同工藝階段的應用。 金屬化與互連： 介紹鋁（Al）、銅（Cu）等金屬材料在CMOS工藝中的應用，以及多層金屬互連技術的挑戰與進展。 化學機械拋光（CMP）： 闡述CMP在實現器件平麵化和提高互連質量方麵的關鍵作用。 先進工藝考量： 簡要介紹Hi-k柵介質、應變矽（Strained Silicon）、多晶矽柵（Polysilicon Gate）等先進工藝技術，以及它們如何提升MOSFET的性能。 第二部分：CMOS基本電路設計 在掌握瞭CMOS器件和工藝的基礎後，本部分將引導讀者進入CMOS基本電路的設計。我們將從最簡單的門電路開始，逐步講解組閤邏輯和時序邏輯電路的設計，並深入分析各種電路的性能指標，如延遲、功耗和噪聲容限。 CMOS反相器（Inverter）設計與分析： 結構與工作原理： 詳細分析CMOS反相器的結構，以及NMOS和PMOS晶體管如何協同工作實現信號反轉。 靜態特性分析： 推導反相器的電壓傳輸特性麯綫（VTC），並分析其高低電平輸齣電壓、扇入扇齣能力（Fan-in/Fan-out）和噪聲容限（Noise Margin）。 動態特性分析（延遲）： 深入分析反相器的上升時間（t_rise）和下降時間（t_fall），以及它們與負載電容、驅動電流的關係。 功耗分析： 分彆計算CMOS反相器的靜態功耗（漏電流）和動態功耗（充放電過程），並探討減小功耗的策略。 CMOS基本邏輯門電路設計： NAND門與NOR門： 詳細介紹CMOS NAND門和NOR門的設計，包括其NMOS和PMOS的連接方式，並進行靜態和動態特性分析。 其他邏輯門： 講解如何利用基本門電路構建更復雜的邏輯門，如AND、OR、XOR、XNOR門等。 邏輯門的性能優化： 討論如何通過調整晶體管尺寸（W/L比）來優化邏輯門的延遲和功耗。 組閤邏輯電路設計： 門級邏輯綜閤： 從布爾錶達式或真值錶齣發，利用基本門電路實現任意組閤邏輯功能。 數據通路設計： 講解多路選擇器（Multiplexer）、譯碼器（Decoder）、編碼器（Encoder）、加法器（Adder）、比較器（Comparator）等基本數據通路模塊的設計。 時序分析與關鍵路徑： 識彆組閤邏輯電路中的關鍵路徑，並分析其對整體電路速度的影響。 時序邏輯電路設計： 鎖存器（Latch）與觸發器（Flip-flop）： 詳細介紹D鎖存器、D觸發器（上升沿/下降沿觸發）、JK觸發器、T觸發器等基本時序元件的設計與工作原理。 寄存器（Register）與移位寄存器（Shift Register）： 講解如何用觸發器構建寄存器組和移位寄存器，用於數據存儲和轉移。 計數器（Counter）： 設計同步計數器和異步計數器，並分析其工作原理和應用。 時序約束與時鍾設計： 討論時鍾信號的質量、占空比、抖動（Jitter）等對時序電路性能的影響。 第三部分：CMOS電路性能優化與設計方法 本部分將聚焦於如何提升CMOS電路的設計質量，包括提高速度、降低功耗、增強魯棒性等。我們將介紹各種優化技術和先進的設計方法。 速度優化技術： 晶體管尺寸優化： 通過調整NMOS和PMOS的寬度（W）和長度（L）來平衡延遲和功耗。 互連綫優化： 討論金屬綫的寬度、間距、層數等對互連電阻和電容的影響，並介紹布綫優化技術。 門延遲的縮減： 介紹門控技術（Gating）、邏輯塊（Logic Block）優化等加速技術。 流水綫（Pipelining）技術： 解釋流水綫如何通過增加並行度來提高整體吞吐量。 時鍾樹綜閤（Clock Tree Synthesis, CTS）： 講解如何設計低偏斜（Skew）的時鍾樹來保證時序電路的同步性。 功耗優化技術： 動態功耗降低： 降低電源電壓（Vdd）： 分析Vdd對功耗（P $propto$ Vdd$^2$）和延遲的影響，並探討低電壓設計技術。 降低開關頻率： 通過時鍾門控（Clock Gating）等技術，僅激活需要的時鍾信號。 降低負載電容： 優化電路結構和互連綫，減小有效負載電容。 靜態功耗降低： 多閾值電壓（Multi-Vt）設計： 使用不同閾值電壓的晶體管來權衡性能和功耗。 選擇性時鍾門控： 僅在必要時纔驅動某些模塊的時鍾。 電源門控（Power Gating）： 在模塊不工作時，將其完全斷電以消除漏電流。 動態功耗與靜態功耗的權衡。 抗乾擾能力（Robustness）增強： 噪聲容限（Noise Margin）的分析與提升： 確保電路在有噪聲乾擾的情況下仍能穩定工作。 工藝、電壓、溫度（PVT）變化的影響： 討論PVT變化對電路性能的影響，並介紹設計時需要考慮的裕量。 電遷移（Electromigration）與熱效應： 分析高電流密度和局部高溫對電路可靠性的影響。 低功耗設計方法論： 功耗預算（Power Budgeting）與功耗分析工具： 介紹如何進行功耗的預測和評估。 低功耗設計流程： 從高層抽象到門級實現，貫穿始終的低功耗設計策略。 第四部分：CMOS集成電路的實用考量 本部分將超越純粹的電路理論，關注CMOS集成電路在實際應用中的關鍵考量，包括信號完整性、電源完整性、以及與製造工藝的密切聯係。 信號完整性（Signal Integrity, SI）： 信號反射與串擾（Crosstalk）： 分析高速信號在互連綫上的反射現象及其對信號質量的影響，以及相鄰信號綫之間的串擾效應。 阻抗匹配： 講解如何通過控製傳輸綫阻抗和端接技術來減小信號反射。 時域和頻域分析： 使用示波器和網絡分析儀等工具進行信號質量的測量和評估。 電源完整性（Power Integrity, PI）： 電源分配網絡（PDN）設計： 講解如何設計低阻抗的電源分配網絡，以提供穩定、乾淨的電源。 去耦電容（Decoupling Capacitors）： 分析去耦電容的作用，以及其選型和布局對電源噪聲的影響。 地彈（Ground Bounce）與電源塌陷（Voltage Droop）： 解釋這些現象的産生原因，以及相應的緩解措施。 輸入/輸齣（I/O）接口電路設計： 標準I/O接口（如LVCMOS, LVTTL）： 介紹常見CMOS I/O接口的電氣特性和設計要點。 高速串行接口（如USB, SerDes）： 簡要介紹高速串行通信接口的基本原理和設計挑戰。 ESD（Electrostatic Discharge）保護： 講解ESD保護器件的原理和設計，以防止靜電損壞。 與EDA工具鏈的集成： 綜閤（Synthesis）、布局（Placement）、布綫（Routing）： 簡要介紹自動化設計（EDA）工具在CMOS IC設計中的作用。 時序分析（Timing Analysis）與靜態時序分析（STA）： 講解如何利用STA工具驗證電路的時序是否滿足要求。 物理驗證（Physical Verification）： 包括DRC（Design Rule Check）和LVS（Layout Versus Schematic）等，確保設計符閤工藝規則且版圖與原理圖一緻。 結論 本書通過對CMOS器件原理、基本電路設計、性能優化策略和實際應用考量的係統性闡述，旨在為讀者構建一個完整、深入的CMOS集成電路設計知識體係。無論是初學者還是有一定經驗的工程師，都能從中獲益，提升在這一充滿挑戰與機遇的領域中的設計能力。掌握這些知識，將為理解和設計未來更復雜的集成電路打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

要說這本書給我的最大啓發，那就是對“匹配性”這一核心概念的重新認識。在數字電路設計中，我們往往更關注速度和功耗，而對於模擬和混閤信號部分，匹配性纔是王道。作者用大量篇幅剖析瞭失配的來源，從晶圓上的隨機摻雜不均勻到光刻導緻的幾何尺寸偏差，再到熱效應引起的梯度變化，層層遞進。我印象最深的是關於匹配電容和晶體管尺寸對匹配精度的影響分析，那些公式的嚴謹程度，讓我徹底明白瞭為什麼在設計高精度運算放大器時，常常需要犧牲麵積來換取更大的器件尺寸。這本書沒有停留在“要匹配”這個簡單的結論上，而是給齣瞭量化的工具去評估“應該匹配到什麼程度”，以及“如何用最經濟的方式達到這個目標”。這對於我後續負責的電源管理芯片設計模塊，提供瞭極強的理論支撐。它教會我，好的設計，是從對不確定性的精確控製開始的。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖示設計，雖然看起來傳統，但卻極其考究效率。它不像某些現代教材那樣追求花哨的彩色印刷，而是專注於用黑白綫條和清晰的數學符號來構建知識體係。我發現，當麵對像亞閾值導電、氧化物陷阱效應這類抽象的概念時，作者繪製的剖麵圖和能量帶圖異常精準，每一條綫、每一個標記都有其明確的物理意義。我記得有一章專門講瞭工藝角對電路性能的影響，作者通過列齣幾組極端工藝參數下的仿真結果對比，非常直觀地展示瞭過程變異的災難性後果。這對我後來的設計決策産生瞭決定性的影響——我開始更加重視設計裕度和冗餘度的考慮，而不是僅僅追求在典型工藝角下的最優性能。這本書的行文風格非常冷靜、客觀，幾乎沒有主觀色彩，就像一個經驗豐富的老工程師在給你講解那些他自己摸爬滾打多年纔總結齣來的“血淚教訓”。它更像是一本案頭常備的“工具書”或“字典”，而不是睡前讀物。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計得相當紮實，那種厚重感一下子就抓住瞭我的注意力，讓我感覺手裏拿的不僅僅是一本書，更像是一件工程領域的“兵器”。初翻幾頁，我就被它那種毫不妥協的深度所震撼瞭。它沒有那種為瞭吸引初學者而做的過度簡化，而是直奔核心，用非常嚴謹的語言闡述瞭CMOS設計中最基礎卻也是最關鍵的那些原理。比如，對MOS管的跨導、閾值電壓的詳細推導過程，簡直像是在做一場微觀世界的解剖。我特彆喜歡作者在講解這些概念時，總會穿插一些實際應用中的“陷阱”和注意事項，這讓我意識到，書本上的理想模型和實際晶圓上的錶現之間，還隔著好幾層的復雜性。讀完關於噪聲和匹配的部分，我感覺自己對版圖設計時那些看似不起眼的微小調整，突然有瞭更深層次的敬畏。那種“細節決定成敗”的感覺，是通過大量精確的公式和圖錶，一步步灌輸到大腦裏的。對我這個已經有一些經驗的設計師來說，這本書就像是一次係統的“內功”修煉，把那些模糊的直覺提升到瞭可以量化和精確控製的工程高度。它不是那種讀完就能馬上做齣一個復雜係統的教程，而是一本需要反復研讀、隨時翻閱的參考聖經，每次重溫都能發現新的領悟。

評分☆☆☆☆☆

每次當我感到自己的設計思路有些僵化，或者在調試一個頑固的電路缺陷時，我都會重新拿起這本書的某一章翻閱。它的結構安排非常有邏輯性，從最基本的電學模型，到器件的物理極限，再到係統性的設計考量，層層遞進，構建瞭一個完整的知識金字塔。這本書的價值不在於讓你學會最新的IP核使用方法，而在於讓你擁有“從零開始”構建一個可靠電路的底層能力。它教會我的，是麵對未知問題時的分析框架和思維路徑。例如，在處理亞閾值功耗問題時，這本書提供的分析方法，遠比軟件工具給齣的單一數字更有啓發性，它讓我明白瞭功耗的來源在哪裏，以及如何從根本上進行優化，而不是僅僅調整一個開關閾值電壓的偏置點。這本書的厚度和內容的深度，意味著它是一項長期的投資，但迴報是設計能力的質的飛躍。它確實是CMOS集成電路設計領域一本不可多得的基石之作。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我花瞭很長時間纔啃完這本書的前半部分，過程簡直是一場意誌力的考驗。它的文字密度非常高，每一個段落似乎都塞滿瞭信息，根本沒有多餘的“水詞”來浪費讀者的寶貴時間。我尤其欣賞作者在闡述器件非理想特性時所錶現齣的那種近乎偏執的細緻。比如，對短溝道效應的分析，它不滿足於簡單的平方律失效，而是深入到瞭載流子速度飽和、DIBL（漏緻勢壘降低）等現象的物理機製。我甚至得停下來，對照著我的仿真工具設置，去驗證作者提齣的修正模型是否準確反映瞭實際情況。這種理論與實踐緊密結閤的寫法，極大地提升瞭我的設計信心——我知道我所使用的理論基礎是多麼的堅固。它沒有提供現成的“配方”，而是教你如何理解為什麼這個“配方”會有效，以及在何種邊界條件下它會失效。對於那些希望從“會用EDA工具”晉升到“理解器件物理”的設計師而言，這本書是繞不過去的鴻溝，但一旦翻越，視野會立刻開闊許多。它強迫你用更底層的物理語言去思考電路行為，而不是停留在宏觀的邏輯層麵。