模拟CMOS集成电路设计(第2版)

模拟CMOS集成电路设计(第2版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

[美] 毕查德·拉扎维(BehzadRazavi)著 著
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出版社: 清华大学出版社
ISBN:9787302489856
商品编码:25559304736
出版时间:2018-01-01

具体描述

作  者:(美)毕查德·拉扎维(Behzad Razavi) 著;池保勇 编译 著作 定  价:128 出 版 社:清华大学出版社 出版日期:2018年01月01日 页  数:647 装  帧:平装 ISBN:9787302489856 暂无

内容简介

暂无
《现代集成电路工艺与器件》 内容简介 本书全面深入地探讨了现代集成电路(IC)制造的各个关键环节,从基础的半导体材料特性到复杂的制造工艺流程,再到支撑这些工艺的先进器件模型。旨在为从事集成电路设计、制造、封装以及相关领域的研究者、工程师和学生提供一本全面、权威且实用的参考书。 第一部分:半导体材料与结晶生长 本部分聚焦于集成电路赖以生存的基石——半导体材料。我们将从硅(Si)作为主流半导体材料的起源和发展历程开始,详细介绍其原子结构、晶体结构(如金刚石立方结构)以及电子和空穴的载流子特性。 元素周期表与半导体材料: 介绍III-V族(如GaAs、GaN)、II-VI族(如CdTe)等其他重要半导体材料的特性,对比其与硅在禁带宽度、载流子迁移率、击穿电场等方面的差异,以及它们在特定应用(如高频、光电子)中的优势。 晶体生长技术: 直拉法(Czochralski Method, CZ): 详细阐述了硅单晶的生长过程,包括籽晶的引入、熔体的搅拌、拉速和旋转速率的控制,以及如何通过精确控制温度梯度和生长参数来获得高质量、大直径的单晶硅棒(ingot)。讨论了坩埚材料(如石英)的选择及其对硅纯度的影响。 区熔法(Float-Zone Method, FZ): 介绍区熔法的原理,即利用感应加热或电阻加热使一小段材料熔化,然后移动熔区,通过表面张力支撑熔区,实现提纯和单晶生长。对比了区熔法与直拉法的优缺点,特别是其在制备超纯硅方面的应用。 外延生长(Epitaxy): 深入讲解了外延生长的概念,即在衬底上生长一层与衬底具有相同晶体取向的单晶薄膜。重点介绍化学气相沉积(CVD)和分子束外延(MBE)两种主要方法。 CVD: 详细介绍氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术,包括前驱体气体的选择、反应机理、生长温度和压力等工艺参数对薄膜质量(如均匀性、纯度、晶体缺陷)的影响。 MBE: 讲解MBE的超高真空环境、原子束或分子束的生成和控制,以及其在生长复杂多层结构、超晶格和掺杂轮廓控制方面的精度优势。 晶圆制备: 介绍将单晶硅棒切割成薄片(wafer)的工艺,包括线切割、研磨、抛光等步骤。详细讨论了抛光工艺,特别是化学机械抛光(CMP)在实现纳米级表面平整度方面的重要作用。分析了晶圆表面缺陷(如划痕、微缺陷)对后续制造良率的影响。 第二部分:集成电路制造工艺流程 本部分系统地阐述了集成电路制造过程中涉及的核心工艺技术,这些技术共同构成了芯片生产的完整链条。 光刻(Photolithography): 原理与流程: 详细讲解了光刻的核心原理,包括掩模版(mask/reticle)的制作、光刻胶(photoresist)的涂覆、曝光、显影等步骤。 光源与分辨率: 深入分析了不同光源(如g-line, i-line, KrF, ArF, EUV)及其对应的光学波长如何影响光刻分辨率。讲解了瑞利判据(Rayleigh criterion)和最小特征尺寸(minimum feature size)的计算。 先进光刻技术: 重点介绍深紫外(DUV)光刻和极紫外(EUV)光刻的原理、挑战与应用。讨论了多重曝光(multi-patterning)、关键角沉积(sidewall patterning)等分辨率增强技术(RET)。 光刻胶类型: 区分正性光刻胶(positive photoresist)和负性光刻胶(negative photoresist),并介绍其在工艺中的选择。 刻蚀(Etching): 干法刻蚀(Dry Etching): 反应离子刻蚀(RIE): 详细阐述RIE的原理,即在等离子体环境中,通过物理轰击和化学反应同时去除材料。分析了等离子体种类、工艺气体、功率、压力等参数对刻蚀速率、选择比(selectivity)和各向异性(anisotropy)的影响。 高密度等离子体刻蚀: 介绍感应耦合等离子体(ICP)和电容耦合等离子体(CCP)等技术,讨论了它们如何实现更高的等离子体密度和更好的工艺控制。 原子层刻蚀(ALE): 讲解ALE的自限制性反应机理,实现原子层级别的精确图形转移,在超深宽比结构刻蚀中的重要作用。 湿法刻蚀(Wet Etching): 介绍湿法刻蚀的原理,即利用化学溶液去除材料。分析其各向同性特点,以及在特定应用(如去除保护层、形貌控制)中的优势和局限性。 薄膜沉积(Thin Film Deposition): 物理气相沉积(PVD): 溅射(Sputtering): 详细介绍磁控溅射、射频溅射等技术,包括靶材、等离子体、基底偏压等参数对薄膜厚度、致密性、附着力和组分的影响。 蒸发(Evaporation): 介绍热蒸发和电子束蒸发,讨论其在沉积特定金属和低熔点材料方面的应用。 化学气相沉积(CVD): (在晶体生长部分已简述,此处更侧重于薄膜沉积的应用) 低压化学气相沉积(LPCVD): 介绍其在沉积氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)、多晶硅(Poly-Si)等绝缘层和半导体层中的应用。 等离子增强化学气相沉积(PECVD): 讲解PECVD如何在较低温度下实现薄膜沉积,适合在已完成部分工艺的晶圆上进行沉积,避免高温对器件的损伤。 原子层沉积(ALD): 强调ALD的脉冲式反应机理,实现对薄膜厚度和均匀性的原子级精确控制,在栅介质、钝化层等关键应用中的重要性。 掺杂(Doping): 扩散(Diffusion): 介绍热扩散的原理,以及掺杂剂(如磷、砷、硼)在高温下向硅衬底的迁移过程。讨论了浓度梯度、扩散系数、工艺时间和温度对掺杂深度和掺杂浓度的影响。 离子注入(Ion Implantation): 详细讲解离子注入的工艺流程,包括离子源、加速电压、扫描范围、剂量和能量等参数的控制。分析了离子注入的精确性、可重复性以及其在精确控制掺杂深度和浓度方面的优势。讨论了注入后的退火(annealing)工艺,以激活注入的杂质和修复晶格损伤。 晶圆清洗与表面处理: 介绍微电子制造中至关重要的清洗工艺,包括湿法清洗(如SC-1, SC-2)和干法清洗技术,以及它们在去除颗粒、有机物和金属污染物方面的作用。 化学机械抛光(CMP): 再次强调CMP在实现全局平坦化(global planarization)和局部平坦化(local planarization)方面的关键作用,这对于多层金属互连和先进光刻至关重要。 第三部分:现代集成电路器件模型与特性 本部分将深入探讨支撑现代集成电路性能和可靠性的关键器件模型。 MOSFET器件模型: 理想MOSFET模型: 回顾MOSFET的基本结构(源极、漏极、栅极、沟道、衬底),以及其工作原理(电场效应)。推导理想MOSFET在不同工作区域(亚阈值区、线性区、饱和区)的电流-电压(I-V)特性方程。 载流子输运机理: 深入分析短沟道效应(short-channel effects),如阈值电压降低(DIBL)、沟道长度调制(CLM)、漏致击穿(GIDL)等。讨论了速度饱和(velocity saturation)对载流子输运的影响。 亚阈值跨导: 详细分析MOSFET在亚阈值区的行为,以及亚阈值摆幅(subthreshold swing, SS)作为衡量器件开关性能的关键参数。 栅介质模型: 讨论了高-k栅介质(high-k dielectric)材料(如HfO2)的引入及其对栅漏电、等效氧化层厚度(EOT)的影响。 金属栅(Metal Gate)技术: 解释金属栅取代多晶硅栅的优势,包括避免多晶硅耗尽效应(poly depletion)、硬阈值电压(hard threshold voltage)等。 应变工程(Strain Engineering): 介绍通过在沟道区域引入应变(如拉伸应变、压缩应变)来提高载流子迁移率,从而提升器件性能。 CMOS集成电路器件的失效机理: 热载流子效应(Hot Carrier Effects, HCE): 详细分析电子或空穴获得高能量后对栅介质和衬底产生的损伤,以及其对器件阈值电压和跨导漂移的影响。 栅介质击穿(Dielectric Breakdown): 讨论了电场应力诱导击穿(E-field induced breakdown)和时间依赖性击穿(time-dependent dielectric breakdown, TDDB)等失效模式。 金属互连的可靠性: 电迁移(Electromigration): 阐述了在强电场作用下,金属原子从一个位置迁移到另一个位置,导致互连线开路或短路的现象。 应力迁移(Stress Migration): 分析了由于温度变化和外力作用引起的金属原子重排和空洞形成。 闩锁效应(Latch-up): 详细解释CMOS电路中可能发生的寄生PNPN结构导致的闩锁效应,以及其触发条件和防护措施。 先进器件技术展望: FinFET和GAAFET: 介绍三维(3D)器件结构,如鳍式场效应晶体管(FinFET)和全栅极场效应晶体管(GAAFET,又称Gate-All-Around FET),它们如何通过改进栅极对沟道的控制能力,有效缓解短沟道效应,为未来芯片的微缩提供可能。 新材料与新结构: 简要探讨了二维材料(如石墨烯、MoS2)、新型高迁移率沟道材料(如III-V族材料)以及负电容场效应晶体管(NCFET)等前沿研究方向。 本书力求以清晰的逻辑、严谨的论证和丰富的图表,为读者提供对现代集成电路制造和器件物理的深刻理解,助力读者在快速发展的半导体领域取得更大的成就。

用户评价

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对于我这样一个在模拟CMOS设计领域摸索了几年的人来说,这本书就像一座知识的灯塔,照亮了我前进的方向。它不仅仅是一本教材,更像是一本设计手册,里面包含了大量实用且经验性的内容。我最看重的是本书在电路分析和设计方法论上的讲解。作者并非直接给出“标准答案”,而是引导读者去理解电路的工作原理,分析各种参数对电路性能的影响,然后根据设计目标,自己去推导和优化电路。这种“教你如何思考”的方式,比单纯记忆电路结构和公式要重要得多。我特别喜欢书中关于反馈和频率响应的章节,对于理解运算放大器的稳定性、带宽、增益裕度等关键指标,以及如何通过补偿网络来改善这些性能,都有非常深入的讲解。作者通过分析各种补偿电路,并给出相应的稳定性判据(如Bode图、Nyquist图),让我能够真正理解为什么某些补偿方法有效,以及如何根据具体的设计需求选择合适的补偿策略。此外,书中还包含了非常实用的版图设计和寄生效应分析的内容,这在实际的IC设计中是至关重要的。作者不仅强调了电路功能的重要性,也强调了物理实现对电路性能的巨大影响,并提供了许多规避寄生效应的设计技巧。我通过阅读这些章节,深刻体会到“版图即电路”这句话的含义,也学会了如何从版图的角度去思考和优化电路设计。

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这本书的出现,可以说彻底颠覆了我以往对模拟CMOS设计的一些刻板印象。我原本以为这是一门高度依赖经验的学科,但这本书让我看到了其背后严谨的数学推导和清晰的逻辑推理。作者在讲解CMOS器件模型时,并没有止步于宏观参数,而是深入到了微观的载流子行为和电场分布。我印象特别深刻的是关于“沟道调制效应”的推导,作者通过分析漏端电势的升高如何影响沟道长度,进而改变输出电流,清晰地解释了这一现象。这让我能够更深刻地理解MOSFET的输出特性曲线。在模拟电路设计方面,本书的讲解更是细致入微。从基础的电流镜、差分放大器,到复杂的运算放大器、滤波器,每一个模块都进行了深入的分析。我尤其受益于书中关于运算放大器稳定性的讲解,它详细介绍了各种频率补偿技术,如密勒补偿、极点/零点补偿等,并提供了如何通过分析Bode图来判断电路稳定性的方法。我通过学习这些内容,不仅掌握了运算放大器的设计技巧,也对模拟电路的频率响应和稳定性有了更深刻的理解。此外,书中还包含了很多关于噪声分析和电源抑制比(PSRR)的讲解,这对于设计高性能模拟集成电路来说是必不可少的。

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说实话,一开始拿起这本书,我抱着一种“试试看”的心态,毕竟模拟CMOS集成电路设计这个领域,向来是电子工程中最具挑战性的分支之一,而“第2版”也意味着它比初版更加精炼和全面。然而,这本书很快就打破了我原有的预期。它的结构非常清晰,从最基础的CMOS器件模型开始,逐步深入到各种模拟电路模块的设计,比如差分放大器、电流镜、运算放大器、滤波器等等。我尤其欣赏作者在讲解每个电路模块时,并非简单地罗列电路图和公式,而是会先分析这个模块的功能需求,然后推导出实现这些功能的关键设计思路,最后再给出具体的电路实现。这种“由需求驱动设计”的方式,让我在学习过程中,不仅仅是学习“如何搭电路”,更是学习“为什么这么搭”。书中对于各种设计折衷的讨论,比如增益与带宽的权衡,功耗与噪声的权衡,面积与性能的权衡,让我深刻理解到,在实际的集成电路设计中,没有绝对完美的设计,只有最适合特定需求的方案。作者通过大量的例子,展示了如何在这些矛盾中找到最佳的平衡点。我特别受益于书中关于运算放大器设计的章节,它从单级、两级、多级放大器的结构出发,详细讲解了各种补偿技术,如密勒补偿、极点/零点补偿等,以及如何分析和优化其稳定性、增益、带宽、压摆率和功耗。这些内容对于我后续进行更复杂的模拟电路设计,奠定了坚实的基础。

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这是一本让我花了无数个夜晚钻研的书,当然,我不是说它晦涩难懂,而是它包含的知识点实在太丰富了,就像一个宝藏,你每挖掘一点,都能发现新的惊喜。我尤其喜欢它对CMOS器件物理模型部分的深入剖析。以往接触的教材,对于MOSFET的工作原理,往往停留在理想模型层面,仅仅是简单的电流电压关系。但这本书则不然,它花了相当大的篇幅,从PN结的形成、载流子输运机制,到沟道调制效应、短沟道效应、亚阈值导电等等,都给出了详尽的解释。我印象最深的是关于二维沟道电场和电势分布的推导,作者用非常直观的图示和严谨的数学语言,一步步引导读者理解这些复杂的物理现象。这不仅仅是记忆公式,更是理解CMOS电路能够工作的根本原因。当我阅读到书中关于各种寄生效应,比如栅漏电容、源漏结电容、沟道电阻以及它们对电路性能的影响时,我感觉自己对模拟电路设计有了全新的认识。以前总觉得电路性能不达标,可能是设计失误,但现在我明白了,很多时候是这些“不起眼”的寄生效应在作祟。书中对于如何减小这些寄生效应,比如采用特定的版图设计技巧,或者选择合适的工艺参数,都给出了非常实用的建议。而且,书中不仅仅是理论,还穿插了大量的仿真实例,让我能够对照理论知识,在仿真软件中观察实际效果,加深理解。这是一种非常高效的学习方式,理论与实践相结合,让我受益匪浅。

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这本书,真的让我有种“醍醐灌顶”的感觉。以往接触的模拟电路书籍,总感觉有些“断层”,知识点零散,缺乏系统性。但这本书却以一种非常连贯和逻辑性的方式,将CMOS器件的物理模型、各种模拟电路模块的设计,以及相关的工艺和版图知识,完美地融合在一起。我尤其喜欢本书在讲解CMOS器件模型时,采用的“由简入繁”的策略。它从最基本的PN结开始,逐步引入MOSFET的结构和工作原理,然后详细讨论各种非理想效应,如沟道长度调制、短沟道效应、热效应等。作者通过大量生动的图示和精确的数学推导,让我能够清晰地理解这些复杂的物理现象。我印象最深的是关于“漏电容”的讲解,它不仅分析了漏电容的来源,还讨论了它对电路速度和功耗的影响,并给出了减小漏电容的设计建议。在模拟电路设计部分,本书的覆盖面非常广,从基础的电流镜、差分放大器,到复杂的运算放大器、滤波器、ADC/DAC等,都做了详尽的阐述。我尤其受益于书中关于运算放大器频率补偿的讨论,它详细介绍了各种补偿技术,并提供了如何根据电路的极点和零点分布来选择合适的补偿方法的指导。此外,本书还包含了很多关于噪声分析和电源抑制比(PSRR)的讲解,这对于设计高质量的模拟集成电路至关重要。

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这本书的价值,远不止于提供知识,更在于它塑造了我对模拟CMOS设计这个领域的整体认知。它让我明白,这不仅仅是电路的堆砌,而是一门需要深刻理解物理原理、精通数学工具、并具备丰富实践经验的综合性学科。我在阅读本书关于CMOS器件的物理模型部分时,对MOSFET的亚阈值区导电行为有了前所未有的清晰认识。作者通过对载流子浓度分布和电势分布的详细推导,揭示了亚阈值电流的指数级下降规律,以及阈值电压的微小变化对电路功耗的影响。这让我意识到,在设计低功耗CMOS电路时,对亚阈值区的精确控制是多么重要。接着,本书深入到各种模拟电路模块的设计。在讲解差分放大器时,作者不仅仅给出了基本的差分对结构,还详细分析了其共模抑制比(CMRR)的来源,以及如何通过增加级数或采用有源负载等方式来提高CMRR。我尤其受益于书中关于运算放大器设计的内容,它详细阐述了各种补偿技术,如密勒补偿、极点/零点补偿等,并提供了如何通过分析Bode图来判断电路稳定性的方法。我通过阅读这些章节,真正理解了“稳定性”对于模拟电路设计的关键性,也学会了如何通过设计手段来保证电路的稳定性。此外,书中还包含了很多关于噪声分析和抑制的讨论,这对于设计高性能模拟集成电路来说是必不可少的。

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这本书所展现的深度和广度,绝对是我近期阅读过的关于模拟CMOS集成电路设计领域最优秀的作品之一。它不仅仅是一本技术手册,更是一本关于“思考如何设计”的哲学指南。我被书中对CMOS器件物理模型的深入剖析所深深吸引。作者并没有简单地给出现成的SPICE模型参数,而是从半导体物理学出发,详细解释了MOSFET的工作机制,包括载流子的输运、表面势、阈值电压等。我尤其对书中关于“阈值电压的温度效应”的分析印象深刻,它揭示了在不同温度下,MOSFET的阈值电压会发生变化,从而影响电路的性能。这让我意识到,在设计对温度敏感的模拟电路时,需要充分考虑温度对器件特性的影响。在模拟电路设计方面,本书的讲解更是面面俱到。从基础的电流镜、差分放大器,到复杂的运算放大器、滤波器、数据转换器,每一个模块的讲解都充满了智慧和经验。我特别欣赏作者在讲解运算放大器时,对于各种频率补偿技术的深入分析,包括密勒补偿、开环补偿等,并提供了如何通过分析Bode图来确定电路稳定性的方法。此外,书中还包含了非常实用的版图设计和寄生效应分析的内容,这在实际的IC设计中是至关重要的。作者不仅强调了电路功能的重要性,也强调了物理实现对电路性能的巨大影响,并提供了许多规避寄生效应的设计技巧。

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我真的很难用几句话来概括这本书的价值。它就像一本武林秘籍,里面蕴含了太多值得挖掘的宝藏。我尤其喜欢书中在CMOS器件物理模型部分的内容。作者并没有简单地给出SPICE模型参数,而是深入到半导体物理层面,详细解释了MOSFET的工作原理,包括载流子的输运、势垒的形成、以及各种非理想效应,如短沟道效应、亚阈值导电等。我印象最深刻的是书中关于“热效应”的分析,它解释了在器件工作时产生的热量如何影响器件的参数,以及如何通过设计手段来减小热效应的影响。这让我意识到,在设计高性能、高功率密度的CMOS电路时,热管理是多么重要。在模拟电路设计方面,本书的讲解更是面面俱到。从基础的电流镜、差分放大器,到复杂的运算放大器、滤波器、数据转换器,每一个模块都进行了深入的分析。我尤其赞赏作者在讲解运算放大器时,对于各种频率补偿技术的深入分析,包括密勒补偿、开环补偿等,并提供了如何通过分析Bode图来确定电路稳定性的方法。我通过学习这些内容,真正理解了“稳定性”对于模拟电路设计的关键性,也学会了如何通过设计手段来保证电路的稳定性。此外,书中还包含了非常实用的版图设计和寄生效应分析的内容,这在实际的IC设计中是至关重要的。

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当我翻开这本书,我立刻被它所呈现的严谨性和深度所吸引。作者仿佛是一位经验丰富的导师,耐心地带领我一步步探索CMOS集成电路设计的奥秘。本书在讲解CMOS器件模型时,并没有止步于表面,而是深入到半导体物理层面,详细阐述了MOSFET的各种工作区(如亚阈值区、线性区、饱和区)的物理机制,以及载流子的行为。我尤其对书中关于短沟道效应和亚阈值效应的章节印象深刻,作者通过清晰的推导和图解,解释了这些效应是如何影响器件性能,以及在现代纳米级工艺下,这些效应的重要性日益凸显。这让我意识到,理解这些底层物理原理,对于设计出高性能、低功耗的CMOS电路至关重要。之后,本书顺理成章地过渡到模拟电路模块的设计。从基础的电流镜、差分放大器,到更加复杂的运算放大器、滤波器,每一个模块的讲解都力求详尽。我喜欢作者在介绍每个电路时,会先介绍其基本原理和性能指标,然后分析典型的电路结构,并讨论其优缺点。例如,在讲解运算放大器时,书中详细对比了不同拓扑结构(如折叠式、共源共栅式)的特点,以及各种频率补偿技术(如密勒补偿、开环补偿)对电路稳定性和速度的影响。此外,书中还引入了大量的仿真例子,让我能够将理论知识与实际应用相结合,通过EDA工具验证设计思路,并对电路性能进行分析和优化。这种理论与实践相结合的学习方式,极大地提升了我的学习效率和掌握程度。

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这本书给我带来的最大启示,在于它让我看到了模拟CMOS设计背后那份严谨的科学精神和精巧的工程智慧。作者在阐述CMOS器件模型时,并没有简单地给出现成的模型参数,而是深入到器件的物理边界条件和工作特性,详细解释了沟道长度调制、亚阈值导电、短沟道效应等非理想现象是如何产生的,以及它们对电路性能的影响。我尤其对书中关于“口袋结”效应的分析印象深刻,它解释了在短沟道MOSFET中,由于源漏结电场的影响,会导致阈值电压的降低,从而产生额外的亚阈值电流。这种对细节的关注,让我能够更深刻地理解CMOS器件的内在工作机制。在模拟电路设计部分,本书的讲解更是细致入微。以运算放大器为例,书中不仅介绍了各种经典的拓扑结构(如折叠式、共源共栅式),还深入分析了它们在增益、带宽、功耗、噪声等方面的优缺点,以及如何通过各种补偿技术来优化其频率响应和稳定性。我尤其赞赏作者在讲解电流镜时,详细分析了各种电流镜的非理想效应,如输出阻抗低、失配误差等,并提出了提高电流镜精度和输出阻抗的改进方法。书中还包含了大量关于滤波器设计的内容,从各种滤波器类型(如低通、高通、带通)的理论基础,到利用CMOS技术实现这些滤波器的具体电路结构,都做了详尽的阐述。我通过学习这些内容,不仅掌握了模拟滤波器的设计技巧,也对CMOS电路在信号处理领域的应用有了更深的认识。

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