CMOS及其他先导技术：特大规模集成电路设计 [美]刘金(Tsu-Jae King Liu pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 刘金Tsu-Jae King Liu 科林· 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111593911

商品编码：29771127544

包装：平装-胶订

出版时间：2018-04-01

基本信息

书名:CMOS及其他先导技术：特大规模集成电路设计

定价：99.00元

售价：64.4元,便宜34.6元,折扣65

作者:刘金(Tsu-Jae King Liu) 科林·库恩(Ke

出版社：机械工业出版社

出版日期：2018-04-01

ISBN：9787111593911

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

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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本书概述现代CMOS晶体管的技术发展，提出新的设计方法来改善晶体管性能存在的局限性。本书共四部分。一部分回顾了芯片设计的注意事项并且基准化了许多替代性的开关器件，重点论述了具有更陡峭亚阈值摆幅的器件。第二部分涵盖了利用量子力学隧道效应作为开关原理来实现更陡峭亚阈值摆幅的各种器件设计。第三部分涵盖了利用替代方法实现更高效开关性能的器件。第四部分涵盖了利用磁效应或电子自旋携带信息的器件。本书适合作为电子信息类专业与工程等专业的教材，也可作为相关专业人士的参考书。

目录

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Contents目　录
译者序
前言
部分　CMOS电路和工艺限制
章　CMOS数字电路的能效限制2
　1.1　概述2
　1.2　数字电路中的能量性能折中3
　1.3　能效设计技术6
　1.4　能量限制和总结8
　参考文献9
第2章　先导工艺晶体管等比例缩放：特大规模领域可替代器件结构10
　2.1　引言10
　2.2　可替代器件结构10
　2.3　总结22
　参考文献23
第3章　基准化特大规模领域可替代器件结构30
　3.1　引言30
　3.2　可替代器件等比例缩放潜力30
　3.3　可比器件的缩放潜力33
　3.4　评价指标35
　3.5　基准测试结果37
　3.6　总结38
　参考文献39
第4章　带负电容的扩展CMOS44
　4.1　引言44
　4.2　直观展示45
　4.3　理论体系47
　4.4　实验工作51
　4.5　负电容晶体管54
　4.6　总结56
　致谢57
　参考文献57
第二部分　隧道器件
第5章　设计低压高电流隧穿晶体管62
　5.1　引言62
　5.2　隧穿势垒厚度调制陡峭度63
　5.3　能量滤波切换机制65
　5.4　测量电子输运带边陡度66
　5.5　空间非均匀性校正68
　5.6　pn结维度68
　5.7　建立一个完整的隧穿场效应晶体管80
　5.8　栅极效率大化84
　5.9　避免其他的设计问题88
　5.10　总结88
　致谢89
　参考文献89
第6章　隧道晶体管92
　6.1　引言92
　6.2　隧道晶体管概述93
　6.3　材料与掺杂的折中95
　6.4　几何尺寸因素和栅极静电99
　6.5　非理想性103
　6.6　实验结果106
　6.7　总结108
　致谢108
　参考文献108
第7章　石墨烯和二维晶体隧道晶体管115
　7.1　什么是低功耗开关115
　7.2　二维晶体材料和器件的概述116
　7.3　碳纳米管和石墨烯纳米带116
　7.4　原子级薄体晶体管124
　7.5　层间隧穿晶体管130
　7.6　内部电荷与电压增益陡峭器件137
　7.7　总结137
　参考文献137
第8章　双层伪自旋场效应晶体管…140
　8.1　引言140
　8.2　概述141
　8.3　基础物理145
　8.4　BiSFET设计和集约模型152
　8.5　BiSFET逻辑电路和仿真结果157
　8.6　工艺161
　8.7　总结162
　致谢163
　参考文献163
第三部分　可替代场效应器件
第9章　关于相关氧化物中金属绝缘体转变与相位突变的计算与学习166
　9.1　引言166
　9.2　二氧化钒中的金属绝缘体转变168
　9.3　相变场效应器件172
　9.4　相变两端器件178
　9.5　神经电路181
　9.6　总结182
　参考文献182
0章　压电晶体管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动力学193
　10.5　材料与器件制造200
　10.6　性能评价203
　10.7　讨论205
　致谢206
　参考文献206
1章　机械开关209
　11.1　引言209
　11.2　继电器结构和操作210
　11.3　继电器工艺技术214
　11.4　数字逻辑用继电器设计优化220
　11.5　继电器组合逻辑电路227
　11.6　继电器等比例缩放展望232
　参考文献234
第四部分　自旋器件
2章　纳米磁逻辑：从磁有序到磁计算240
　12.1　引言与动机240
　12.2　作为二进制开关单元的单域纳米磁体242
　12.3　耦合纳米磁体特性244
　12.4　工程耦合：逻辑门与级联门246
　12.5　磁有序中的错误248
　12.6　控制磁有序：同步纳米磁体250
　12.7　NML计算系统252
　12.8　垂直磁介质中的纳米磁体逻辑255
　12.9　两个关于电路的案例研究259
　12.10　NML电路建模260
　12.11　展望：NML电路的未来261
　致谢261
　参考文献262
3章　自旋转矩多数逻辑门逻辑267
　13.1　引言267
　13.2　面内磁化的SMG268
　13.3　仿真模型270
　13.4　面内磁化开关的模式272
　13.5　垂直磁化SMG276
　13.6　垂直磁化开关模式278
　13.7　总结283
　参考文献284
4章　自旋波相位逻辑286
　14.1　引言286
　14.2　自旋波的计算287
　14.3　实验验证的自旋波元件及器件287
　14.4　相位逻辑器件290
　14.5　自旋波逻辑电路与结构292
　14.6　与CMOS的比较297
　14.7　总结299
　参考文献300
第五部分　关于互连的思考
5章　互连304
　15.1　引言304
　15.2　互连问题305
　15.3　新兴的电荷器件技术的互连选项307
　15.4　自旋电路中的互连思考312
　15.5　自旋弛豫机制315
　15.6　自旋注入与输运效率318
　15.7　电气互连与半导体自旋电子互连的比较320
　15.8　总结与展望324
　参考文献324

作者介绍

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文摘

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序言

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《集成电路设计：从原理到实践》 作者：[待定] 出版社：[待定] 内容简介： 本书旨在为读者构建一个全面而深入的集成电路设计知识体系，涵盖了从基础理论到前沿技术的各个环节。我们将带领您走进微观世界的奇妙旅程，探索构成现代电子设备核心的集成电路是如何被创造出来的。本书力求理论与实践相结合，不仅讲解清晰透彻，更注重培养读者实际设计和解决问题的能力。 第一部分：集成电路设计基础 本部分将为读者打下坚实的理论基础，理解集成电路设计的核心概念。 第一章：半导体物理与器件基础 硅的晶体结构与能带理论： 深入剖析硅作为半导体材料的微观特性，理解其导电机制，为后续器件的理解奠定基础。我们将详细解释晶体结构、能带结构、费米能级等概念，并探讨掺杂对硅导电性的影响。 PN结的形成与特性： 详细讲解PN结的形成过程，包括载流子扩散、漂移以及内置电场的产生。重点分析PN结在外加电压下的正向导通和反向击穿特性，为理解二极管和三极管的工作原理打下基础。 MOSFET的工作原理： 深入剖析金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的工作原理，包括其结构、栅电压对沟道电导的控制机制、以及不同工作区域（亚阈值区、线性区、饱和区）的特性。我们将详细讲解NMOS和PMOS两种类型的MOSFET，并分析其在集成电路设计中的关键作用。 CMOS技术的优势与基本结构： 解释互补金属氧化物半导体（CMOS）技术为何成为现代集成电路设计的主流技术，其低功耗、高集成度等优势。详细介绍CMOS反相器、传输门等基本逻辑门电路的结构和工作原理，展示CMOS技术的精妙之处。 第二章：数字逻辑设计基础 布尔代数与逻辑门： 回顾布尔代数的基本公理和定理，以及AND, OR, NOT, XOR等基本逻辑门的功能。学习如何使用布尔代数对组合逻辑电路进行化简和优化。 组合逻辑电路设计： 讲解如何将逻辑功能转化为电路实现，包括使用真值表、卡诺图等方法进行逻辑函数的最小化。重点介绍编码器、译码器、多路选择器、数据选择器、加法器、减法器等常用组合逻辑电路的设计。 序向逻辑电路设计： 介绍触发器（D触发器、JK触发器、T触发器）等基本存储单元的概念，以及它们在构建时序逻辑电路中的作用。讲解状态机（有限状态机FSM）的设计方法，包括状态图、状态表以及如何将其转化为电路。重点介绍计数器、移位寄存器等常用时序逻辑电路。 逻辑综合与HDL语言： 介绍逻辑综合的基本概念，以及硬件描述语言（HDL），如Verilog和VHDL，在描述和设计数字逻辑电路中的重要性。通过实例讲解如何使用HDL语言描述逻辑功能，并通过EDA工具进行综合。 第三章：电路设计流程与工具 集成电路设计流程概览： 详细介绍从规格定义、架构设计、逻辑设计、物理设计到制造、测试和封装的整个集成电路设计流程。理解不同阶段之间的相互关系和依赖性。 EDA工具的应用： 介绍常用的电子设计自动化（EDA）工具，包括逻辑综合工具、布局布线工具、时序分析工具、物理验证工具等。通过实例展示如何使用这些工具完成设计任务。 行为级、寄存器传输级（RTL）和门级设计： 阐述不同抽象层次的设计方法。行为级设计侧重于系统功能描述，RTL设计描述了数据在寄存器之间的流动和逻辑操作，门级设计则将逻辑电路映射到具体的标准单元库。 设计验证的重要性与方法： 强调验证在集成电路设计中的关键作用，介绍仿真、形式验证、覆盖率分析等常用的验证技术。 第二部分：集成电路设计进阶 本部分将深入探讨更复杂的集成电路设计技术和挑战。 第四章：模拟集成电路设计基础 运放（Operational Amplifier）设计： 深入剖析运放的结构、工作原理和关键性能指标（增益、带宽、稳定性、噪声等）。讲解差分放大器、共模抑制比（CMRR）、输出级设计等。 滤波器设计： 介绍不同类型的滤波器（低通、高通、带通、带阻）及其在模拟信号处理中的应用。讲解有源滤波器和无源滤波器的设计原理。 数据转换器（ADC/DAC）原理： 介绍模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的基本原理、结构和关键性能指标。重点讲解不同类型的ADC（如逐次逼近型、Σ-Δ型）和DAC（如电阻网络型、电流舵型）。 振荡器与锁相环（PLL）： 讲解振荡器的基本类型和设计，以及锁相环在频率合成、时钟生成和抖动抑制中的重要作用。 第五章：时序分析与时钟设计 时序约束与时序关闭： 详细讲解建立时间（setup time）和保持时间（hold time）的概念，以及它们对电路稳定性的影响。介绍时序分析（STA）工具的使用，以及如何通过优化电路和布局布线来满足时序要求。 时钟树综合（CTS）： 讲解时钟信号在芯片内部分发的重要性，以及时钟树综合的目标——减小时钟延迟和时钟偏斜。介绍不同的时钟树构建策略。 时钟域交叉（CDC）处理： 探讨当数据在不同时钟域之间传输时可能出现的问题（如亚稳态），以及常用的CDC处理技术，如握手协议、FIFO等。 第六章：物理设计与版图 逻辑综合与门级网表： 进一步阐述逻辑综合过程，如何将RTL代码转化为门级网表，并进行优化。 布局（Placement）与布线（Routing）： 详细介绍物理设计中的布局和布线过程。布局是将标准单元放置在芯片上的位置，布线则是连接这些单元之间的导线。讲解常见的布局布线算法和策略。 时序驱动的物理设计： 强调时序约束在物理设计中的指导作用，如何通过布局布线优化来满足时序目标。 版图规则检查（DRC）与设计规则检查（LVS）： 讲解DRC（设计规则检查）和LVS（版图与原理图一致性检查）的重要性，它们是确保芯片能够成功制造的关键步骤。 功耗分析与优化： 介绍集成电路中的功耗来源（动态功耗、静态功耗），以及常用的功耗优化技术，如门控时钟、动态电压频率调整（DVFS）等。 第三部分：高级主题与未来趋势 本部分将探讨集成电路设计中的前沿技术和发展方向。 第七章：低功耗设计技术 多种低功耗设计策略： 深入探讨各种低功耗设计技术，包括门控时钟、功率门控、动态电压和频率缩放（DVFS）、自适应体偏置（Adaptive Body Biasing，ABB）等。 低功耗IP设计： 介绍在IP（Intellectual Property）核设计中融入低功耗考量，以满足移动设备和IoT等低功耗应用的需求。 功耗建模与仿真： 讲解如何使用工具对电路的功耗进行精确建模和仿真，以便在设计早期发现和解决功耗问题。 第八章：可靠性与测试 电路老化效应与可靠性设计： 讨论集成电路中常见的可靠性问题，如电迁移、热应力、栅氧化层击穿等，并介绍相应的可靠性设计和防护措施。 可测试性设计（DFT）： 介绍DFT技术，如扫描链（Scan Chain）、内建自测（BIST）等，以提高芯片的可测试性，降低测试成本。 故障模型与测试向量生成： 讲解不同的故障模型（如单故障模型），以及如何生成有效的测试向量来检测芯片中的故障。 第九章：先进封装技术与3D IC 先进封装技术的重要性： 介绍晶圆级封装（Wafer-Level Packaging）、2.5D/3D封装等先进封装技术，以及它们如何突破传统封装的限制，实现更高的集成度和性能。 三维集成电路（3D IC）设计挑战： 探讨3D IC的设计理念、优势以及面临的挑战，如散热、布线密度、测试等。 异构集成： 讲解如何将不同工艺、不同功能的芯片集成在一起，实现更强大的系统功能。 第十章：人工智能与集成电路设计 AI在EDA工具中的应用： 探讨人工智能（AI）和机器学习（ML）技术如何应用于EDA工具，例如在布局布线、时序预测、故障检测等方面的优化。 AI芯片设计： 介绍专门为人工智能计算设计的芯片架构，如TPU（Tensor Processing Unit）、GPU（Graphics Processing Unit）等，以及它们的独特设计理念。 AI驱动的设计流程： 展望AI如何进一步革新集成电路设计流程，实现更高效、更智能的设计。 本书特点： 体系完整： 从基础原理到前沿技术，全面覆盖集成电路设计领域。 深入浅出： 理论讲解清晰易懂，并通过大量实例辅助理解。 实践导向： 强调EDA工具的应用，引导读者动手实践。 前沿性： 关注行业发展趋势，介绍最新的技术和理念。 本书适合电子工程、微电子学、计算机科学等相关专业的本科生、研究生，以及从事集成电路设计工作的工程师阅读。通过学习本书，读者将能够深刻理解集成电路设计的奥秘，掌握现代集成电路设计方法和工具，为在这一快速发展的领域中取得成功奠定坚实基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面那种深邃的蓝色调，配上简洁有力的白色字体，瞬间就给人一种专业、严谨的感觉。我拿到手的时候，就忍不住想翻开看看里面的内容了。纸张的质感也相当不错，摸起来挺厚实，油墨印刷清晰，即便是长期翻阅，应该也不容易模糊或者损坏。特别是那些复杂的电路图和波形图，印刷得非常细腻，线条的粗细控制得恰到好处，这对于我们这些需要仔细辨认细节的工程师来说，简直是福音。书脊的装订也处理得很扎实，即便是摊开平放阅读，也不会有那种令人烦躁的“合拢感”，阅读体验大大提升。书中的排版布局也看得出是用心设计的，章节之间的过渡自然流畅，标题和正文的层级划分清晰，让人在快速浏览和深入研读之间可以轻松切换。整体来看，这不仅仅是一本技术手册，更像是一件精心制作的工艺品，摆在书架上都显得格调不凡。这种对细节的关注，往往预示着内容本身的深度和可靠性，让人对接下来要学习的知识充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的案例和图示选择方面，体现了极高的实用主义精神。它并没有使用那些脱离实际的理想化模型进行教学，而是大量引用了具有现实意义的设计挑战和具体的工艺参数范围。我特别喜欢那些贯穿全书的、具有一致性的电路示例，这些示例从一开始的简单逻辑门，逐步演变到复杂的运算放大器结构，读者可以清晰地看到，基本单元是如何被一步步集成并优化以满足特定性能指标（如功耗、速度、噪声）要求的。这些图例的细节丰富，标注详尽，几乎可以作为实际设计工作的参考模板。不同于一些理论性过强的书籍，这本书的每一步推导似乎都在默默地回答一个核心问题：“在真实世界的硅片制造限制下，我们如何做出最佳权衡？”这种高度的工程实践导向，极大地增强了读者的信心，让他们相信书中学到的知识可以直接转化为可制造的、高性能的芯片设计。

评分☆☆☆☆☆

这本书的章节逻辑构建简直是教科书级别的典范，它不是简单地堆砌知识点，而是构建了一个清晰、层层递进的学习路径。初学者可能会被“特大规模集成电路设计”这个宏大的标题吓到，但一旦进入正文，就会发现作者的引导是多么的循序渐进。从最基础的半导体物理概念开始，缓慢而坚定地过渡到具体的CMOS器件特性，然后才开始探讨复杂的电路拓扑和设计流程。每一个新的概念出现时，前文都会为其打下坚实的基础，使得知识点之间的关联性极强，几乎没有出现那种“上下文脱节”的阅读障碍。我特别欣赏作者在引入关键公式时，总是会附带详尽的物理意义解释和应用场景分析，这比起那些只罗列公式而不做解读的教材要高明得多。这种结构性的安排，极大地降低了学习曲线的陡峭程度，让复杂的理论变得触手可及，让人感觉自己不是在被动接收信息，而是在构建一个完整的知识体系。

评分☆☆☆☆☆

我注意到书中对“先导技术”的关注点处理得非常到位，它没有仅仅停留在成熟工艺的经典理论上，而是将视野拓展到了当前半导体前沿领域中那些至关重要的限制因素和新兴概念。例如，对短沟道效应的深入剖析，以及如何在新一代工艺节点上通过FinFET等结构来缓解这些问题，这些内容的处理明显超越了一般入门教材的范畴。作者似乎对未来几年行业可能面临的技术瓶颈有着清晰的预判，并将这些前沿讨论巧妙地融入了基础框架之中。这使得这本书的保质期大大延长，它不仅是理解当前设计的基石，更是预测未来设计趋势的指南针。对于希望在IC设计领域持续深耕的人来说，这种对未来趋势的把握和前瞻性的讲解，是极其宝贵的财富，保证了读者所学知识的时效性和前瞻性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，我个人感觉是极其沉稳且极富洞察力的。它没有那种为了迎合初学者而刻意使用的花哨或过于口语化的表达，而是保持了一种严谨的学术腔调，但这种严谨并非板面孔，而是建立在对主题深刻理解基础上的自信。作者在阐述原理时，总能用最精炼的语言直击核心，避免不必要的冗余。举例来说，在讨论亚阈值区的电流建模时，那种对跨导和阈值电压敏感性的分析，简直是深入骨髓，寥寥数语便勾勒出了实际器件行为的全貌。同时，作者也擅长在关键的转折点设置思考性的提问，虽然没有直接给出答案，但足以引导读者停下来，进行自我检验和深入推敲，培养起独立分析问题的能力。这种“授人以渔”的写作手法，让阅读过程充满了主动性和挑战性，让人感觉自己真的在和一位经验丰富的领域专家进行深度对话。