CMOS数字集成电路设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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美查尔斯.霍金斯Charles Hawkins等 著

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• 模拟电路
• 电路设计
• 低功耗
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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111529330

商品编码：29397052572

包装：平装

出版时间：2016-04-01

基本信息

书名：CMOS数字集成电路设计

定价：69.00元

作者：(美)查尔斯.霍金斯(Charles Hawkins)等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-04-01

ISBN：9787111529330

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书中文简体字版由IET授权机械工业出版社出版。未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或抄袭本书内容。

本书涵盖了CMOS数字集成电路的设计技术，教材的编写采用新颖的讲述方法，并不要求学生已经学习过模拟电子学的知识，有利于教师灵活地安排教学计划。本书完全放弃了涉及双极型器件的内容，只关注数字集成电路的主流工艺——CMOS数字电路设计。书中引入大量的实例，每章后也给出了丰富的习题，使得学生能够将学到的知识与实际结合。本书可作为CMOS数字集成电路的本科教材。

目录

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目　　录

出版者的话

译者序

序

前言

章　基本逻辑门和电路原理1

　1.1　逻辑门和布尔代数1

　1.2　布尔和逻辑门化简3

　1.3　时序电路4

　1.4　电压和电流定律6

　　1.4.1　端口电阻的观察法分析6

　　1.4.2　基尔霍夫电压定律与观察法分析7

　　1.4.3　基尔霍夫电流定律与观察法分析9

　　1.4.4　基于观察法的分压器和分流器混合分析10

　1.5　电阻的功率消耗11

　1.6　电容13

　　1.6.1　电容器能量与功率14

　　1.6.2　电容分压器15

　1.7　电感16

　1.8　二极管非线性电路分析16

　1.9　关于功率19

　1.10　小结20

　习题20

第2章　半导体物理24

　2.1　材料基础24

　　2.1.1　金属、绝缘体和半导体24

　　2.1.2　半导体中的载流子：电子与空25

　　2.1.3　确定载流子浓度26

　2.2　本征半导体和非本征半导体27

　　2.2.1　n型半导体28

　　2.2.2　p型半导体29

　　2.2.3　n型与p型掺杂半导体中的载流子浓度30

　2.3　半导体中的载流子输运30

　　2.3.1　漂移电流31

　　2.3.2　扩散电流32

　2.4　pn结34

　2.5　pn结的偏置35

　　2.5.1　pn结正偏压36

　　2.5.2　pn结反偏压36

　2.6　二极管结电容37

　2.7　小结38

　参考文献38

　习题38

第3章　MOSFET40

　3.1　工作原理40

　　3.1.1　作为数字开关的MOSFET40

　　3.1.2　MOSFET的物理结构41

　　3.1.3　MOS晶体管工作原理：一种描述性方法42

　3.2　MOSFET输入特性44

　3.3　nMOS晶体管的输出特性与电路分析44

　3.4　pMOS晶体管的输出特性与电路分析49

　3.5　含有源极和漏极电阻的MOSFET53

　3.6　MOS晶体管的阈值电压54

　3.7　小结55

　参考文献56

　习题56

第4章　金属互连线性质60

　4.1　金属互连线电阻60

　　4.1.1　电阻和热效应62

　　4.1.2　薄膜电阻63

　　4.1.3　通孔电阻64

　4.2　电容67

　　4.2.1　平行板模型67

　　4.2.2　电容功率68

　4.3　电感69

　　4.3.1　电感电压69

　　4.3.2　导线电感70

　　4.3.3　电感功率70

　4.4　互连线RC模型71

　　4.4.1　短线的电容模型71

　　4.4.2　长线的电阻电容模型72

　4.5　小结74

　参考文献74

　习题74

第5章　CMOS反相器77

　5.1　CMOS反相器概述77

　5.2　电压转移曲线78

　5.3　噪声容限79

　5.4　对称电压转移曲线81

　5.5　电流转移曲线82

　5.6　VTC图形分析83

　　5.6.1　静态电压转移曲线83

　　5.6.2　动态电压转移曲线85

　5.7　反相器翻转速度模型86

　5.8　CMOS反相器功耗88

　　5.8.1　瞬态功耗88

　　5.8.2　短路功耗89

　　5.8.3　静态泄漏功耗91

　5.9　功耗与电源电压调整91

　5.10　调整反相器缓冲器尺寸以驱动大负载92

　5.11　小结94

　参考文献94

　习题94

第6章　CMOS“与非”门、“或非”门和传输门97

　6.1　“与非”门97

　　6.1.1　电路行为98

　　6.1.2　“与非”门的非控制逻辑状态98

　6.2　“与非”门晶体管尺寸调整100

　6.3　“或非”门102

　　6.3.1　电路行为102

　　6.3.2　“或非”门的非控制逻辑状态102

　6.4　“或非”门晶体管尺寸调整105

　6.5　通过门与CMOS传输门108

　　6.5.1　通过门108

　　6.5.2　CMOS传输门109

　　6.5.3　三态逻辑门110

　6.6　小结110

　习题111

第7章　CMOS电路设计风格115

　7.1　布尔代数到晶体管电路图的转换115

　7.2　德摩根电路的综合118

　7.3　动态CMOS逻辑门120

　　7.3.1　动态CMOS逻辑门的特性120

　　7.3.2　动态电路中的电荷共享121

　7.4　多米诺CMOS逻辑门123

　7.5　NORA CMOS逻辑门125

　7.6　通过晶体管逻辑门125

　7.7　CMOS传输门逻辑设计127

　7.8　功耗及活跃系数128

　7.9　小结132

　参考文献132

　习题132

第8章　时序逻辑门设计与时序137

　8.1　CMOS锁存器138

　　8.1.1　时钟控制的锁存器138

　　8.1.2　门控锁存器139

　8.2　边沿触发的存储元件140

　　8.2.1　D触发器140

　　8.2.2　时钟的逻辑状态141

　　8.2.3　一种三态D触发器设计141

　8.3　边沿触发器的时序规则142

　　8.3.1　时序测量143

　　8.3.2　违反时序规则的影响144

　8.4　D触发器在集成电路中的应用145

　8.5　带延时元件的tsu和thold145

　8.6　包含置位和复位的边沿触发器147

　8.7　时钟生成电路148

　8.8　金属互连线寄生效应151

　8.9　时钟漂移和抖动151

　8.10　芯片设计中的整体系统时序152

　　8.10.1　时钟周期约束152

　　8.10.2　时钟周期约束与漂移153

　　8.10.3　保持时间约束153

　　8.10.4　考虑漂移和抖动的时钟周期约束154

　8.11　时序与环境噪声156

　8.12　小结157

　参考文献157

　习题158

第9章　IC存储器电路163

　9.1　存储器电路结构164

　9.2　存储器单元165

　9.3　存储器译码器166

　　9.3.1　行译码器166

　　9.3.2　列译码器167

　9.4　读操作168

　9.5　读操作的晶体管宽长比调整169

　9.6　存储器写操作170

　　9.6.1　单元写操作170

　　9.6.2　锁存器转移曲线170

　9.7　写操作的晶体管宽长比调整171

　9.8　列写电路173

　9.9　读操作与灵敏放大器174

　9.10　动态存储器177

　　9.10.1　3晶体管DRAM单元177

　　9.10.2　1晶体管DRAM单元178

　9.11　小结179

　参考文献179

　习题179

0章　PLA、CPLD与FPGA181

　10.1　一种简单的可编程电路——PLA181

　　10.1.1　可编程逻辑门182

　　10.1.2　“与”/“或”门阵列183

　10.2　下一步：实现时序电路——CPLD184

　　10.2.1　引入时序模块——CPLD184

　　10.2.2　更先进的CPLD186

　10.3　先进的可编程逻辑电路——FPGA190

　　10.3.1　Actel ACT FPGA191

　　10.3.2　Xilinx Spartan FPGA192

　　10.3.3　Altera Cyclone Ⅲ FPGA194

　　10.3.4　如今的FPGA196

　　10.3.5　利用FPGA工作——设计工具196

　10.4　理解编程写入技术196

　　10.4.1　反熔丝技术196

　　10.4.2　EEPROM技术198

　　10.4.3　静态RAM开关技术199

　参考文献199

1章　CMOS电路版图200

　11.1　版图和设计规则200

　11.2　版图设计方法：布尔方程、晶体管原理图和棒图201

　11.3　利用PowerPoint进行电路版图布局202

　11.4　设计规则和小间距203

　11.5　CMOS反相器的版图布局204

　　11.5.1　pMOS晶体管的版图204

　　11.5.2　重温pMOS晶体管版图的设计规则205

　　11.5.3　nMOS晶体管版图205

　　11.5.4　将晶体管合并到共同的多晶硅栅下206

　11.6　根据设计规则小间距绘制完整的CMOS反相器207

　11.7　多输入逻辑门的版图207

　11.8　合并逻辑门标准单元版图209

　11.9　更多关于版图的内容210

　11.10　版图CAD工具211

　11.11　小结211

2章　芯片是如何制作的212

　12.1　集成电路制造概览212

　12.2　硅晶圆片的制备213

　12.3　生产线的前端和后端213

　12.4　生产线前端工艺技术214

　　12.4.1　硅的氧化214

　　12.4.2　光刻214

　　12.4.3　蚀刻216

　　12.4.4　沉积和离子注入216

　12.5　清洁和安全性操作217

　12.6　晶体管的制造218

　12.7　生产线后端工艺技术218

　　12.7.1　溅射工艺219

　　12.7.2　双金属镶嵌法（大马士革工艺）219

　　12.7.3　层间电介质及终钝化220

　12.8　CMOS反相器的制造220

　　12.8.1　前端工艺操作220

　　12.8.2　后端工艺操作221

　12.9　芯片封装221

　12.10　集成电路测试222

　12.11　小结222

　参考文献222

章末偶数编号习题参考答案223

索引228

作者介绍

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文摘

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序言

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《半导体物理学原理与器件建模》 内容简介 本书深入探讨了构成现代电子世界基石的半导体材料的内在物理机制，并详细阐述了如何将这些物理原理转化为描述半导体器件行为的数学模型。全书共分十章，结构严谨，内容翔实，旨在为读者构建一个坚实的半导体科学理论基础，为后续深入理解和设计集成电路打下坚实根基。 第一章 半导体材料基础 本章将从原子结构出发，介绍元素周期表中与半导体材料密切相关的元素，如硅、锗、砷化镓等。我们将深入分析原子价键模型，解释共价键如何形成晶体结构，以及晶体结构对材料电学性质的影响。特别地，将详细介绍周期性晶格模型，理解布里渊区和能带的形成过程。然后，我们将聚焦于能带理论，区分导体、绝缘体和半导体的能带结构，引入导带、价带和禁带的概念，并解释电子和空穴的产生机制。此外，本章还将探讨本征半导体的载流子浓度及其温度依赖性，为理解掺杂效应奠定基础。最后，将初步介绍半导体材料的晶体缺陷，如空位、间隙原子和位错，及其对载流子行为的影响。 第二章 掺杂与载流子统计 本章聚焦于半导体中最关键的掺杂过程。我们将详细介绍N型掺杂和P型掺杂的原理，解释施主杂质和受主杂质如何引入多余的电子或空穴，从而改变半导体的导电类型。基于热力学平衡的假设，我们将推导载流子浓度的表达式，包括电子和空穴的费米-狄拉克分布函数，以及在不同掺杂浓度和温度下的近似表达式。重点将放在简并和非简并半导体区域的区分，以及载流子统计模型在这些区域的适用性。此外，还将探讨杂质能级和载流子浓度的关系，以及掺杂浓度对半导体导电率的影响。本章的最后一节将触及杂质在晶格中的扩散机制，为理解制造过程中的掺杂分布提供理论依据。 第三章 PN结的形成与特性 PN结是集成电路中最基本的结构单元。本章将从PN结的形成过程开始，分析在PN结界面处，扩散和漂移两种载流子运动如何相互作用，形成空间电荷区。详细推导耗尽层宽度、内建电势的表达式，并分析这些参数与掺杂浓度的关系。我们将深入研究PN结在不同偏置下的伏安特性，包括零偏、正偏和反向偏置。特别地，将详细阐述正偏导通机理，解释载流子注入和复合过程，以及反向漏电流的来源，如少数载流子产生和表面漏电。本章还将介绍PN结的电容效应，包括结电容和扩散电容，为理解高频特性和开关行为打下基础。 第四章 二极管的各种工作模式 本章将基于PN结的理论，扩展到各种类型的二极管及其工作模式。我们将重点介绍整流二极管，分析其在单相和多相整流电路中的应用，并讨论其效率和纹波系数。然后，将介绍稳压二极管（齐纳二极管），阐述其齐纳击穿和雪崩击穿机制，以及如何在反向偏置下提供稳定的参考电压。光电二极管和发光二极管（LED）也将被详细介绍，分析其光电转换原理和发光机理，探讨不同材料和结构对发光效率和波长的影响。最后，还将简要介绍肖特基二极管，分析其低正向压降和快速开关速度的优势，以及其在高性能电路中的应用。 第五章 双极结型晶体管（BJT） 双极结型晶体管（BJT）是实现电流放大和开关功能的重要器件。本章将从BJT的结构开始，介绍NPN型和PNP型晶体管的PN结组合。深入分析BJT的工作原理，包括基区载流子的注入、扩散、漂移以及集电区载流子的收集过程。我们将详细推导BJT的输出特性曲线和转移特性曲线，并介绍其三种工作区域：截止区、放大区和饱和区。重点将放在放大区的分析，推导电流放大系数β和α的表达式，并讨论其影响因素，如基区宽度和掺杂浓度。本章还将介绍BJT的输入和输出阻抗，以及在不同偏置下的BJT模型，为电路设计提供依据。 第六章 场效应晶体管（FET） 场效应晶体管（FET）因其高输入阻抗和低功耗的特点，在现代电子器件中占据重要地位。本章将详细介绍结型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）。JFET的部分将阐述其夹断原理和沟道导电机制，分析其输出特性和跨导。MOSFET的部分将是本章的重点，我们将详细介绍增强型和耗尽型MOSFET的结构，以及其阈值电压的概念。深入分析MOSFET在不同栅极电压和漏极电压下的工作区域，包括截止区、线性区（欧姆区）和饱和区。我们将推导MOSFET的输出特性曲线和跨导，并讨论沟道长度调制效应等二阶效应。 第七章 MOSFET工作模型与参数提取 本章将基于前一章的MOSFET基本原理，深入探讨其各种工作模型，并讲解如何从物理模型中提取关键器件参数。我们将介绍适用于不同工作区域的MOSFET模型，包括平方律模型、BSIM模型等，并分析这些模型的优缺点和适用范围。重点将放在BSIM系列模型，介绍其如何精确地描述MOSFET在各种工艺和工作条件下的行为，包括短沟道效应、热效应、偏置效应等。本章还将详细讲解从实验测量或仿真数据中提取MOSFET关键参数的方法，如阈值电压、跨导、输出电导、栅极电容等，以及这些参数在电路设计中的重要性。 第八章 半导体器件的制造工艺概述 本章将带领读者了解半导体器件是如何在实验室和工厂中制造出来的。我们将概述硅半导体器件制造流程中的关键步骤，包括晶圆制备、氧化、光刻、刻蚀、掺杂、金属化等。详细解释每一步工艺的目的和基本原理，例如光刻是如何将电路图案转移到硅片上的，刻蚀又是如何移除不需要的材料的。特别地，将介绍不同类型的光刻技术，如接触式光刻、接近式光刻和步进-扫描光刻，以及干法刻蚀和湿法刻蚀的差异。本章还将简要介绍薄膜沉积技术，如CVD（化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积），以及金属互连的形成过程。 第九章 器件结电容与高频响应 本章将深入研究半导体器件中的结电容和扩散电容，以及这些电容如何影响器件的高频响应。我们将从PN结的耗尽层电容和注入载流子的扩散电容出发，推导其与偏置电压、掺杂浓度和结面积的关系。然后，将扩展到MOSFET的栅极电容，分析其在不同工作区域下的行为，包括氧化层电容、表面电容和耗尽层电容的组合。我们将利用这些电容模型，分析二极管和晶体管在高频下的频率响应，引入单位增益频率（fT）和最大振荡频率（fmax）的概念，并解释这些参数的物理意义和限制因素。 第十章 半导体器件中的噪声分析 噪声是限制电子电路性能的重要因素之一。本章将从半导体器件的内在噪声源出发，深入分析各种类型的噪声。我们将详细介绍热噪声（约翰逊噪声）和散弹噪声（泊松噪声）的产生机理，并推导其功率谱密度。然后，将针对PN结和MOSFET，分析其在不同偏置下的具体噪声模型，包括热噪声、散弹噪声、闪烁噪声（1/f噪声）和陷阱噪声。我们将讨论这些噪声如何影响器件的信噪比，并介绍降低噪声的常用方法，例如优化器件结构、选择合适的偏置点以及采用低噪声放大器设计技术。本章的最后将简要提及噪声系数的概念，为理解整个系统的噪声性能提供基础。 本书适合于对半导体物理和器件原理有浓厚兴趣的大学本科生、研究生，以及从事半导体器件研发、集成电路设计和相关技术工作的工程师。通过对本书的学习，读者将能够深刻理解半导体器件的工作机理，掌握分析和建模器件特性的方法，为后续更高级的集成电路设计课程和实际应用打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

《CMOS数字集成电路设计》这本书的逻辑清晰，层次分明，非常适合我这种需要系统性学习的人。它没有一上来就抛出大量复杂的公式和术语，而是循序渐进地引导读者进入CMOS设计的大门。我特别喜欢它讲解数字逻辑和时序分析的那几章，作者用非常生动形象的比喻，将这些抽象的概念变得易于理解。例如，在讲解触发器的工作原理时，作者会将其类比成一个“记忆单元”，这种方式让我一下子就抓住了核心。而且，书中的公式推导过程都写得很详细，每一步都清晰可见，这对于我这种喜欢刨根问底的人来说，简直是福音。我经常会停下来，自己跟着推导一遍，加深理解。这本书还包含了很多关于版图设计和物理验证的内容，这让我意识到，集成电路设计不仅仅是逻辑上的事情，更需要考虑物理实现的细节。它为我打开了一个全新的视角，让我看到了一个完整的IC设计流程。

评分☆☆☆☆☆

读完《CMOS数字集成电路设计》之后，我最大的感受就是它的深度和广度都达到了一个令人赞叹的水平。这本书不仅仅是停留在理论层面，更是将理论与实践紧密结合。作者在讲解每一个章节时，都仿佛是带我们进入了一个真实的IC设计实验室。我记得在学习时序逻辑设计的部分，书中不仅详细阐述了建立时间和保持时间的概念，还提供了很多排查时序违例的方法和技巧，这对于我后来在实际项目中的调试工作起到了至关重要的作用。此外，书中对功耗和可靠性方面的讨论也十分深入，这在当今的SoC设计中是不可或缺的考虑因素。它让我意识到，设计一个高效且可靠的集成电路，需要综合考虑多方面的因素，而不是仅仅关注功能实现。我还特别欣赏书中对不同工艺节点的特性和设计考量的分析，这让我能够更好地理解不同技术下的设计权衡。总而言之，这本书是一本非常全面的CMOS数字集成电路设计指南，无论是对于初学者还是有一定经验的设计师，都能从中获得宝贵的知识和启发。

评分☆☆☆☆☆

对于《CMOS数字集成电路设计》这本书，我必须说，它是一部真正意义上的“宝典”。我经常在遇到实际问题时，翻开这本书，几乎都能找到我想要的答案。书中对于各种常见的CMOS电路的优缺点、适用场景都有非常细致的分析，这让我能够根据实际需求做出更明智的设计选择。我尤其欣赏书中关于低功耗设计策略的讲解，例如时钟门控、电源门控等技术，这些都为我后续在低功耗SoC项目的设计提供了非常大的帮助。而且，书中还提供了很多非常实用的设计技巧和注意事项，这些经验之谈，是在学校里学不到的。它就像一位经验丰富的老工程师，在循循善诱地指导着你。这本书的参考文献也相当丰富，如果你想对某个特定的主题进行更深入的研究，它也能为你指明方向。我强烈推荐所有从事或即将从事CMOS数字集成电路设计的工程师阅读这本书，它一定会让你受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

《CMOS数字集成电路设计》这本书给我最深刻的印象是它的实践指导性。作者并没有停留在理论的空中楼阁，而是将大量的理论知识落到了实处。书中提供的很多设计实例，我都尝试着在EDA工具中进行仿真和验证，这极大地提升了我的动手能力和解决实际问题的能力。我特别喜欢书中关于测试和可制造性设计的讨论，这部分内容在很多基础教材中往往是被忽略的，但对于一个实际的IC产品来说，测试和可制造性却是至关重要的。它让我认识到，一个优秀的设计不仅仅是功能正确，更需要能够被高效地生产和测试。书中还涉及了模拟和数字混合信号设计的概念，这为我理解更复杂的系统级设计打下了基础。总之，这本书的内容非常扎实，非常适合那些希望能够快速上手并解决实际问题的读者。它就像一本操作手册，能够帮助你一步步地构建出自己的数字集成电路。

评分☆☆☆☆☆

这本《CMOS数字集成电路设计》真的是一本让人爱不释手的经典之作！作为一名初入数字IC设计的菜鸟，我在选择入门书籍时可谓是纠结了许久。最终，在师兄的推荐下，我捧起了这本书。不得不说，它的内容安排非常合理，从最基础的CMOS器件特性讲起，一点一点地深入到电路设计。书中的图文并茂，大量的插图清晰地展示了各种电路结构和信号波形，让我这个曾经对电路图感到畏惧的人，也逐渐变得得心应手。而且，作者在讲解理论知识的同时，还穿插了很多实际的例子，比如常见的逻辑门电路、存储器单元等，这些都让我对书本上的抽象概念有了更直观的认识。我尤其喜欢它在讲解时，那种娓娓道来的感觉，不像有些技术书籍那样枯燥乏味。即使是对于那些相对复杂的概念，比如时序分析和低功耗设计，书中也给出了非常详尽的解释和实用的技巧。我常常是白天看书，晚上跟着书里的例子在仿真软件里敲代码，那种成就感是无法言喻的。这本书真的是我学习CMOS数字集成电路设计的启蒙老师，为我打下了坚实的基础，让我对未来的学习充满了信心。