CMOS數字集成電路設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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美查爾斯.霍金斯Charles Hawkins等 著

圖書標籤:

• CMOS
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• 集成電路設計
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• 半導體
• 電子學
• 模擬電路
• 電路設計
• 低功耗
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店鋪： 賞心悅目圖書專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111529330

商品編碼：29397052572

包裝：平裝

齣版時間：2016-04-01

基本信息

書名：CMOS數字集成電路設計

定價：69.00元

作者：(美)查爾斯.霍金斯(Charles Hawkins)等

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2016-04-01

ISBN：9787111529330

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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內容提要

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本書中文簡體字版由IET授權機械工業齣版社齣版。未經齣版者書麵許可，不得以任何方式復製或抄襲本書內容。

本書涵蓋瞭CMOS數字集成電路的設計技術，教材的編寫采用新穎的講述方法，並不要求學生已經學習過模擬電子學的知識，有利於教師靈活地安排教學計劃。本書完全放棄瞭涉及雙極型器件的內容，隻關注數字集成電路的主流工藝——CMOS數字電路設計。書中引入大量的實例，每章後也給齣瞭豐富的習題，使得學生能夠將學到的知識與實際結閤。本書可作為CMOS數字集成電路的本科教材。

目錄

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目　　錄

齣版者的話

譯者序

序

前言

章　基本邏輯門和電路原理1

　1.1　邏輯門和布爾代數1

　1.2　布爾和邏輯門化簡3

　1.3　時序電路4

　1.4　電壓和電流定律6

　　1.4.1　端口電阻的觀察法分析6

　　1.4.2　基爾霍夫電壓定律與觀察法分析7

　　1.4.3　基爾霍夫電流定律與觀察法分析9

　　1.4.4　基於觀察法的分壓器和分流器混閤分析10

　1.5　電阻的功率消耗11

　1.6　電容13

　　1.6.1　電容器能量與功率14

　　1.6.2　電容分壓器15

　1.7　電感16

　1.8　二極管非綫性電路分析16

　1.9　關於功率19

　1.10　小結20

　習題20

第2章　半導體物理24

　2.1　材料基礎24

　　2.1.1　金屬、絕緣體和半導體24

　　2.1.2　半導體中的載流子：電子與空25

　　2.1.3　確定載流子濃度26

　2.2　本徵半導體和非本徵半導體27

　　2.2.1　n型半導體28

　　2.2.2　p型半導體29

　　2.2.3　n型與p型摻雜半導體中的載流子濃度30

　2.3　半導體中的載流子輸運30

　　2.3.1　漂移電流31

　　2.3.2　擴散電流32

　2.4　pn結34

　2.5　pn結的偏置35

　　2.5.1　pn結正偏壓36

　　2.5.2　pn結反偏壓36

　2.6　二極管結電容37

　2.7　小結38

　參考文獻38

　習題38

第3章　MOSFET40

　3.1　工作原理40

　　3.1.1　作為數字開關的MOSFET40

　　3.1.2　MOSFET的物理結構41

　　3.1.3　MOS晶體管工作原理：一種描述性方法42

　3.2　MOSFET輸入特性44

　3.3　nMOS晶體管的輸齣特性與電路分析44

　3.4　pMOS晶體管的輸齣特性與電路分析49

　3.5　含有源極和漏極電阻的MOSFET53

　3.6　MOS晶體管的閾值電壓54

　3.7　小結55

　參考文獻56

　習題56

第4章　金屬互連綫性質60

　4.1　金屬互連綫電阻60

　　4.1.1　電阻和熱效應62

　　4.1.2　薄膜電阻63

　　4.1.3　通孔電阻64

　4.2　電容67

　　4.2.1　平行闆模型67

　　4.2.2　電容功率68

　4.3　電感69

　　4.3.1　電感電壓69

　　4.3.2　導綫電感70

　　4.3.3　電感功率70

　4.4　互連綫RC模型71

　　4.4.1　短綫的電容模型71

　　4.4.2　長綫的電阻電容模型72

　4.5　小結74

　參考文獻74

　習題74

第5章　CMOS反相器77

　5.1　CMOS反相器概述77

　5.2　電壓轉移麯綫78

　5.3　噪聲容限79

　5.4　對稱電壓轉移麯綫81

　5.5　電流轉移麯綫82

　5.6　VTC圖形分析83

　　5.6.1　靜態電壓轉移麯綫83

　　5.6.2　動態電壓轉移麯綫85

　5.7　反相器翻轉速度模型86

　5.8　CMOS反相器功耗88

　　5.8.1　瞬態功耗88

　　5.8.2　短路功耗89

　　5.8.3　靜態泄漏功耗91

　5.9　功耗與電源電壓調整91

　5.10　調整反相器緩衝器尺寸以驅動大負載92

　5.11　小結94

　參考文獻94

　習題94

第6章　CMOS“與非”門、“或非”門和傳輸門97

　6.1　“與非”門97

　　6.1.1　電路行為98

　　6.1.2　“與非”門的非控製邏輯狀態98

　6.2　“與非”門晶體管尺寸調整100

　6.3　“或非”門102

　　6.3.1　電路行為102

　　6.3.2　“或非”門的非控製邏輯狀態102

　6.4　“或非”門晶體管尺寸調整105

　6.5　通過門與CMOS傳輸門108

　　6.5.1　通過門108

　　6.5.2　CMOS傳輸門109

　　6.5.3　三態邏輯門110

　6.6　小結110

　習題111

第7章　CMOS電路設計風格115

　7.1　布爾代數到晶體管電路圖的轉換115

　7.2　德摩根電路的綜閤118

　7.3　動態CMOS邏輯門120

　　7.3.1　動態CMOS邏輯門的特性120

　　7.3.2　動態電路中的電荷共享121

　7.4　多米諾CMOS邏輯門123

　7.5　NORA CMOS邏輯門125

　7.6　通過晶體管邏輯門125

　7.7　CMOS傳輸門邏輯設計127

　7.8　功耗及活躍係數128

　7.9　小結132

　參考文獻132

　習題132

第8章　時序邏輯門設計與時序137

　8.1　CMOS鎖存器138

　　8.1.1　時鍾控製的鎖存器138

　　8.1.2　門控鎖存器139

　8.2　邊沿觸發的存儲元件140

　　8.2.1　D觸發器140

　　8.2.2　時鍾的邏輯狀態141

　　8.2.3　一種三態D觸發器設計141

　8.3　邊沿觸發器的時序規則142

　　8.3.1　時序測量143

　　8.3.2　違反時序規則的影響144

　8.4　D觸發器在集成電路中的應用145

　8.5　帶延時元件的tsu和thold145

　8.6　包含置位和復位的邊沿觸發器147

　8.7　時鍾生成電路148

　8.8　金屬互連綫寄生效應151

　8.9　時鍾漂移和抖動151

　8.10　芯片設計中的整體係統時序152

　　8.10.1　時鍾周期約束152

　　8.10.2　時鍾周期約束與漂移153

　　8.10.3　保持時間約束153

　　8.10.4　考慮漂移和抖動的時鍾周期約束154

　8.11　時序與環境噪聲156

　8.12　小結157

　參考文獻157

　習題158

第9章　IC存儲器電路163

　9.1　存儲器電路結構164

　9.2　存儲器單元165

　9.3　存儲器譯碼器166

　　9.3.1　行譯碼器166

　　9.3.2　列譯碼器167

　9.4　讀操作168

　9.5　讀操作的晶體管寬長比調整169

　9.6　存儲器寫操作170

　　9.6.1　單元寫操作170

　　9.6.2　鎖存器轉移麯綫170

　9.7　寫操作的晶體管寬長比調整171

　9.8　列寫電路173

　9.9　讀操作與靈敏放大器174

　9.10　動態存儲器177

　　9.10.1　3晶體管DRAM單元177

　　9.10.2　1晶體管DRAM單元178

　9.11　小結179

　參考文獻179

　習題179

0章　PLA、CPLD與FPGA181

　10.1　一種簡單的可編程電路——PLA181

　　10.1.1　可編程邏輯門182

　　10.1.2　“與”/“或”門陣列183

　10.2　下一步：實現時序電路——CPLD184

　　10.2.1　引入時序模塊——CPLD184

　　10.2.2　更先進的CPLD186

　10.3　先進的可編程邏輯電路——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——設計工具196

　10.4　理解編程寫入技術196

　　10.4.1　反熔絲技術196

　　10.4.2　EEPROM技術198

　　10.4.3　靜態RAM開關技術199

　參考文獻199

1章　CMOS電路版圖200

　11.1　版圖和設計規則200

　11.2　版圖設計方法：布爾方程、晶體管原理圖和棒圖201

　11.3　利用PowerPoint進行電路版圖布局202

　11.4　設計規則和小間距203

　11.5　CMOS反相器的版圖布局204

　　11.5.1　pMOS晶體管的版圖204

　　11.5.2　重溫pMOS晶體管版圖的設計規則205

　　11.5.3　nMOS晶體管版圖205

　　11.5.4　將晶體管閤並到共同的多晶矽柵下206

　11.6　根據設計規則小間距繪製完整的CMOS反相器207

　11.7　多輸入邏輯門的版圖207

　11.8　閤並邏輯門標準單元版圖209

　11.9　更多關於版圖的內容210

　11.10　版圖CAD工具211

　11.11　小結211

2章　芯片是如何製作的212

　12.1　集成電路製造概覽212

　12.2　矽晶圓片的製備213

　12.3　生産綫的前端和後端213

　12.4　生産綫前端工藝技術214

　　12.4.1　矽的氧化214

　　12.4.2　光刻214

　　12.4.3　蝕刻216

　　12.4.4　沉積和離子注入216

　12.5　清潔和安全性操作217

　12.6　晶體管的製造218

　12.7　生産綫後端工藝技術218

　　12.7.1　濺射工藝219

　　12.7.2　雙金屬鑲嵌法（大馬士革工藝）219

　　12.7.3　層間電介質及終鈍化220

　12.8　CMOS反相器的製造220

　　12.8.1　前端工藝操作220

　　12.8.2　後端工藝操作221

　12.9　芯片封裝221

　12.10　集成電路測試222

　12.11　小結222

　參考文獻222

章末偶數編號習題參考答案223

索引228

作者介紹

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文摘

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序言

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《半導體物理學原理與器件建模》 內容簡介 本書深入探討瞭構成現代電子世界基石的半導體材料的內在物理機製，並詳細闡述瞭如何將這些物理原理轉化為描述半導體器件行為的數學模型。全書共分十章，結構嚴謹，內容翔實，旨在為讀者構建一個堅實的半導體科學理論基礎，為後續深入理解和設計集成電路打下堅實根基。 第一章 半導體材料基礎 本章將從原子結構齣發，介紹元素周期錶中與半導體材料密切相關的元素，如矽、鍺、砷化鎵等。我們將深入分析原子價鍵模型，解釋共價鍵如何形成晶體結構，以及晶體結構對材料電學性質的影響。特彆地，將詳細介紹周期性晶格模型，理解布裏淵區和能帶的形成過程。然後，我們將聚焦於能帶理論，區分導體、絕緣體和半導體的能帶結構，引入導帶、價帶和禁帶的概念，並解釋電子和空穴的産生機製。此外，本章還將探討本徵半導體的載流子濃度及其溫度依賴性，為理解摻雜效應奠定基礎。最後，將初步介紹半導體材料的晶體缺陷，如空位、間隙原子和位錯，及其對載流子行為的影響。 第二章 摻雜與載流子統計 本章聚焦於半導體中最關鍵的摻雜過程。我們將詳細介紹N型摻雜和P型摻雜的原理，解釋施主雜質和受主雜質如何引入多餘的電子或空穴，從而改變半導體的導電類型。基於熱力學平衡的假設，我們將推導載流子濃度的錶達式，包括電子和空穴的費米-狄拉剋分布函數，以及在不同摻雜濃度和溫度下的近似錶達式。重點將放在簡並和非簡並半導體區域的區分，以及載流子統計模型在這些區域的適用性。此外，還將探討雜質能級和載流子濃度的關係，以及摻雜濃度對半導體導電率的影響。本章的最後一節將觸及雜質在晶格中的擴散機製，為理解製造過程中的摻雜分布提供理論依據。 第三章 PN結的形成與特性 PN結是集成電路中最基本的結構單元。本章將從PN結的形成過程開始，分析在PN結界麵處，擴散和漂移兩種載流子運動如何相互作用，形成空間電荷區。詳細推導耗盡層寬度、內建電勢的錶達式，並分析這些參數與摻雜濃度的關係。我們將深入研究PN結在不同偏置下的伏安特性，包括零偏、正偏和反嚮偏置。特彆地，將詳細闡述正偏導通機理，解釋載流子注入和復閤過程，以及反嚮漏電流的來源，如少數載流子産生和錶麵漏電。本章還將介紹PN結的電容效應，包括結電容和擴散電容，為理解高頻特性和開關行為打下基礎。 第四章 二極管的各種工作模式 本章將基於PN結的理論，擴展到各種類型的二極管及其工作模式。我們將重點介紹整流二極管，分析其在單相和多相整流電路中的應用，並討論其效率和紋波係數。然後，將介紹穩壓二極管（齊納二極管），闡述其齊納擊穿和雪崩擊穿機製，以及如何在反嚮偏置下提供穩定的參考電壓。光電二極管和發光二極管（LED）也將被詳細介紹，分析其光電轉換原理和發光機理，探討不同材料和結構對發光效率和波長的影響。最後，還將簡要介紹肖特基二極管，分析其低正嚮壓降和快速開關速度的優勢，以及其在高性能電路中的應用。 第五章 雙極結型晶體管（BJT） 雙極結型晶體管（BJT）是實現電流放大和開關功能的重要器件。本章將從BJT的結構開始，介紹NPN型和PNP型晶體管的PN結組閤。深入分析BJT的工作原理，包括基區載流子的注入、擴散、漂移以及集電區載流子的收集過程。我們將詳細推導BJT的輸齣特性麯綫和轉移特性麯綫，並介紹其三種工作區域：截止區、放大區和飽和區。重點將放在放大區的分析，推導電流放大係數β和α的錶達式，並討論其影響因素，如基區寬度和摻雜濃度。本章還將介紹BJT的輸入和輸齣阻抗，以及在不同偏置下的BJT模型，為電路設計提供依據。 第六章 場效應晶體管（FET） 場效應晶體管（FET）因其高輸入阻抗和低功耗的特點，在現代電子器件中占據重要地位。本章將詳細介紹結型場效應晶體管（JFET）和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）。JFET的部分將闡述其夾斷原理和溝道導電機製，分析其輸齣特性和跨導。MOSFET的部分將是本章的重點，我們將詳細介紹增強型和耗盡型MOSFET的結構，以及其閾值電壓的概念。深入分析MOSFET在不同柵極電壓和漏極電壓下的工作區域，包括截止區、綫性區（歐姆區）和飽和區。我們將推導MOSFET的輸齣特性麯綫和跨導，並討論溝道長度調製效應等二階效應。 第七章 MOSFET工作模型與參數提取 本章將基於前一章的MOSFET基本原理，深入探討其各種工作模型，並講解如何從物理模型中提取關鍵器件參數。我們將介紹適用於不同工作區域的MOSFET模型，包括平方律模型、BSIM模型等，並分析這些模型的優缺點和適用範圍。重點將放在BSIM係列模型，介紹其如何精確地描述MOSFET在各種工藝和工作條件下的行為，包括短溝道效應、熱效應、偏置效應等。本章還將詳細講解從實驗測量或仿真數據中提取MOSFET關鍵參數的方法，如閾值電壓、跨導、輸齣電導、柵極電容等，以及這些參數在電路設計中的重要性。 第八章 半導體器件的製造工藝概述 本章將帶領讀者瞭解半導體器件是如何在實驗室和工廠中製造齣來的。我們將概述矽半導體器件製造流程中的關鍵步驟，包括晶圓製備、氧化、光刻、刻蝕、摻雜、金屬化等。詳細解釋每一步工藝的目的和基本原理，例如光刻是如何將電路圖案轉移到矽片上的，刻蝕又是如何移除不需要的材料的。特彆地，將介紹不同類型的光刻技術，如接觸式光刻、接近式光刻和步進-掃描光刻，以及乾法刻蝕和濕法刻蝕的差異。本章還將簡要介紹薄膜沉積技術，如CVD（化學氣相沉積）和PVD（物理氣相沉積），以及金屬互連的形成過程。 第九章 器件結電容與高頻響應 本章將深入研究半導體器件中的結電容和擴散電容，以及這些電容如何影響器件的高頻響應。我們將從PN結的耗盡層電容和注入載流子的擴散電容齣發，推導其與偏置電壓、摻雜濃度和結麵積的關係。然後，將擴展到MOSFET的柵極電容，分析其在不同工作區域下的行為，包括氧化層電容、錶麵電容和耗盡層電容的組閤。我們將利用這些電容模型，分析二極管和晶體管在高頻下的頻率響應，引入單位增益頻率（fT）和最大振蕩頻率（fmax）的概念，並解釋這些參數的物理意義和限製因素。 第十章 半導體器件中的噪聲分析 噪聲是限製電子電路性能的重要因素之一。本章將從半導體器件的內在噪聲源齣發，深入分析各種類型的噪聲。我們將詳細介紹熱噪聲（約翰遜噪聲）和散彈噪聲（泊鬆噪聲）的産生機理，並推導其功率譜密度。然後，將針對PN結和MOSFET，分析其在不同偏置下的具體噪聲模型，包括熱噪聲、散彈噪聲、閃爍噪聲（1/f噪聲）和陷阱噪聲。我們將討論這些噪聲如何影響器件的信噪比，並介紹降低噪聲的常用方法，例如優化器件結構、選擇閤適的偏置點以及采用低噪聲放大器設計技術。本章的最後將簡要提及噪聲係數的概念，為理解整個係統的噪聲性能提供基礎。 本書適閤於對半導體物理和器件原理有濃厚興趣的大學本科生、研究生，以及從事半導體器件研發、集成電路設計和相關技術工作的工程師。通過對本書的學習，讀者將能夠深刻理解半導體器件的工作機理，掌握分析和建模器件特性的方法，為後續更高級的集成電路設計課程和實際應用打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本《CMOS數字集成電路設計》真的是一本讓人愛不釋手的經典之作！作為一名初入數字IC設計的菜鳥，我在選擇入門書籍時可謂是糾結瞭許久。最終，在師兄的推薦下，我捧起瞭這本書。不得不說，它的內容安排非常閤理，從最基礎的CMOS器件特性講起，一點一點地深入到電路設計。書中的圖文並茂，大量的插圖清晰地展示瞭各種電路結構和信號波形，讓我這個曾經對電路圖感到畏懼的人，也逐漸變得得心應手。而且，作者在講解理論知識的同時，還穿插瞭很多實際的例子，比如常見的邏輯門電路、存儲器單元等，這些都讓我對書本上的抽象概念有瞭更直觀的認識。我尤其喜歡它在講解時，那種娓娓道來的感覺，不像有些技術書籍那樣枯燥乏味。即使是對於那些相對復雜的概念，比如時序分析和低功耗設計，書中也給齣瞭非常詳盡的解釋和實用的技巧。我常常是白天看書，晚上跟著書裏的例子在仿真軟件裏敲代碼，那種成就感是無法言喻的。這本書真的是我學習CMOS數字集成電路設計的啓濛老師，為我打下瞭堅實的基礎，讓我對未來的學習充滿瞭信心。

評分☆☆☆☆☆

讀完《CMOS數字集成電路設計》之後，我最大的感受就是它的深度和廣度都達到瞭一個令人贊嘆的水平。這本書不僅僅是停留在理論層麵，更是將理論與實踐緊密結閤。作者在講解每一個章節時，都仿佛是帶我們進入瞭一個真實的IC設計實驗室。我記得在學習時序邏輯設計的部分，書中不僅詳細闡述瞭建立時間和保持時間的概念，還提供瞭很多排查時序違例的方法和技巧，這對於我後來在實際項目中的調試工作起到瞭至關重要的作用。此外，書中對功耗和可靠性方麵的討論也十分深入，這在當今的SoC設計中是不可或缺的考慮因素。它讓我意識到，設計一個高效且可靠的集成電路，需要綜閤考慮多方麵的因素，而不是僅僅關注功能實現。我還特彆欣賞書中對不同工藝節點的特性和設計考量的分析，這讓我能夠更好地理解不同技術下的設計權衡。總而言之，這本書是一本非常全麵的CMOS數字集成電路設計指南，無論是對於初學者還是有一定經驗的設計師，都能從中獲得寶貴的知識和啓發。

評分☆☆☆☆☆

對於《CMOS數字集成電路設計》這本書，我必須說，它是一部真正意義上的“寶典”。我經常在遇到實際問題時，翻開這本書，幾乎都能找到我想要的答案。書中對於各種常見的CMOS電路的優缺點、適用場景都有非常細緻的分析，這讓我能夠根據實際需求做齣更明智的設計選擇。我尤其欣賞書中關於低功耗設計策略的講解，例如時鍾門控、電源門控等技術，這些都為我後續在低功耗SoC項目的設計提供瞭非常大的幫助。而且，書中還提供瞭很多非常實用的設計技巧和注意事項，這些經驗之談，是在學校裏學不到的。它就像一位經驗豐富的老工程師，在循循善誘地指導著你。這本書的參考文獻也相當豐富，如果你想對某個特定的主題進行更深入的研究，它也能為你指明方嚮。我強烈推薦所有從事或即將從事CMOS數字集成電路設計的工程師閱讀這本書，它一定會讓你受益匪淺。

評分☆☆☆☆☆

《CMOS數字集成電路設計》這本書給我最深刻的印象是它的實踐指導性。作者並沒有停留在理論的空中樓閣，而是將大量的理論知識落到瞭實處。書中提供的很多設計實例，我都嘗試著在EDA工具中進行仿真和驗證，這極大地提升瞭我的動手能力和解決實際問題的能力。我特彆喜歡書中關於測試和可製造性設計的討論，這部分內容在很多基礎教材中往往是被忽略的，但對於一個實際的IC産品來說，測試和可製造性卻是至關重要的。它讓我認識到，一個優秀的設計不僅僅是功能正確，更需要能夠被高效地生産和測試。書中還涉及瞭模擬和數字混閤信號設計的概念，這為我理解更復雜的係統級設計打下瞭基礎。總之，這本書的內容非常紮實，非常適閤那些希望能夠快速上手並解決實際問題的讀者。它就像一本操作手冊，能夠幫助你一步步地構建齣自己的數字集成電路。

評分☆☆☆☆☆

《CMOS數字集成電路設計》這本書的邏輯清晰，層次分明，非常適閤我這種需要係統性學習的人。它沒有一上來就拋齣大量復雜的公式和術語，而是循序漸進地引導讀者進入CMOS設計的大門。我特彆喜歡它講解數字邏輯和時序分析的那幾章，作者用非常生動形象的比喻，將這些抽象的概念變得易於理解。例如，在講解觸發器的工作原理時，作者會將其類比成一個“記憶單元”，這種方式讓我一下子就抓住瞭核心。而且，書中的公式推導過程都寫得很詳細，每一步都清晰可見，這對於我這種喜歡刨根問底的人來說，簡直是福音。我經常會停下來，自己跟著推導一遍，加深理解。這本書還包含瞭很多關於版圖設計和物理驗證的內容，這讓我意識到，集成電路設計不僅僅是邏輯上的事情，更需要考慮物理實現的細節。它為我打開瞭一個全新的視角，讓我看到瞭一個完整的IC設計流程。