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内容简介

　　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

出版者的话
译者序
序
前言
第1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：电子与空穴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
第10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
第11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　设计规则和最小间距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　根据设计规则最小间距绘制完整的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
第12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　层间电介质及最终钝化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

前言/序言

　　任何足够先进的技术都与魔术没什么区别。
　　——Arthur C.Clarke第三定律本书的目的是帮助你准备好为21世纪的计算机发展做出贡献。电子技术是人际交流和知识容量的巨大推动力。计算机的基础是晶体管，计算机电子学处理电路的晶体管级行为，这些电路可以实现所有的计算机逻辑操作，比如加法、乘法、存储、比较，以及任何由布尔方程所描述的运算。数十亿的晶体管和它们之间的互连线嵌入到又小又薄的矩形硅芯片中。这些小小的芯片中互连线的总长度可以达到几英里，而其消耗的功率从几微瓦到超过200瓦不等。芯片也可以称作“集成电路”（Integrated Circuit，IC）。芯片是十分复杂的，而电子和计算机工程师必须从晶体管电路层级去理解计算机运算的原理。
　　工程师需要面对许多挑战。我们如何将数字电路知识同计算机体系架构结合起来设计一个芯片？我们希望用多快的时钟控制计算机，而我们需要从哪里入手？我们如何将一块芯片接入到电路板中？我们可以容忍芯片多大的热功耗——又如何降低功耗？作为一个客户，又要如何同芯片的设计者提出自己的要求？如果芯片出现问题，需要返工到制造厂中评估，我们将从哪里开始解决这一问题？当我们从工厂取回第一块芯片进行评估时，若发现错误，应从哪里着手解决？芯片失效可能取决于温度或电源电压，并不仅仅是简单的静态布尔函数的错误。那么我们需要什么样的技能和知识来协助我们识别并修正这些问题？不管是芯片级工程师还是更高层的电路板或系统级的工程师，解决方案往往存在于晶体管级的芯片特性之中。
　　电子学的知识是层级化的。半导体物理使用模型公式描述了二极管和晶体管的行为，使我们能够计算晶体管电路中的结点电压和支路电流。之后，特定的晶体管组合构成了不同的逻辑门，如反相器、“与非”门、“或非”门、传输门、D触发器，以及由任意的布尔表达式导出的更复杂的组合逻辑门。这些逻辑门从电学上实现了布尔运算，定义了计算机的行为。我们必须理解它们的特性。电压、电流、温度、功耗、传输延时和噪声容限都具有什么特性？主时钟振荡器通过脉冲来驱动时序电路，使布尔运算的数据在计算机中的传输同步。时钟的速度是一个重要的参数，它常常是顾客在购买计算机时关注的首要规格指标。第二重要的指标可能是计算机存储器的容量。大量的存储器电路被嵌入计算机芯片中。那么，什么是标准存储器单元？存储器又是如何组织的？现代计算机芯片会将占总数70%的晶体管用于嵌入式存储器中。相比于将信号发往电路板上的外部存储器进行运算再取回，嵌入芯片中的存储器可以实现更快的运算速度。
　　我们可能把计算机领域发生的各种奇迹看作理所应当的——例如互联网、智能手机、电子邮件、Google、汽车电子设备、生物医疗器械、GPS、YouTube、即时新闻、天气预报、体育新闻、电子书、Facebook，没错，还有电子游戏。你可能会问：“难道不是一直都这样吗？”答案是否定的——这些应用直到20世纪90年代早期才出现，所有这些现代产品都依赖于快速、成本低廉的小型计算机芯片。
　　晶体管和计算机——“愿得白首不分离”
　　为了对我们的课程有更好的认识，让我们追溯一下数字计算机发展过程中电子技术的进步，以及电子学在互联网中的作用。我们不仅看到计算机向更小、更快、更廉价的方向发展的趋势，还看到了多种因素引人注目的相互作用。互联网不是凭空出现的，计算机也不是。
　　X我们所知道的第一个计算机电路叫作触发器，由英国人Eccles和Jordan在近100年前发明。一个触发器会保持在两个电平状态的其中之一，直到一个外部电压脉冲将其触发到另一个状态为止。触发器存储了一个电平状态。那时候，人们还没有提出“计算机”的概念，因而触发器在发明之后沉睡了许多年。但如今，从先进的互联网服务器芯片，到现代咖啡机或洗碗机中的芯片，每片都有数百万个触发器。触发器是同步数据传输的核心所在。
　　在20世纪30年代后期，结合了布尔代数和机械开关的原始计算机被用来实现简单的计算操作。第二次世界大战激发了人们使用计算机进行科学计算的兴趣。第一台真空管计算机是1946年宾夕法尼亚大学制造的ENIAC。按照当时的标准，100kHz的时钟频率已经很快了。ENIAC重30t，尺寸为80×8.5×3.5ft3（1ft=0.3048m），功耗为150kW。古老的触发器如今已经是计算机电子电路中不可或缺的一部分。然而，真空管是一个体积相对较大的器件，它需要一个玻璃密封的真空腔以及加热的金属填充纤维。这种真空管可靠性很差，而且其冷却是一个大问题。因而计算机需要一种更好的器件。
　　在20世纪30年代，贝尔实验室发现，可以在纯的固态材料中构造出小型开关元件。贝尔实验室当时考虑用其替换电话交换中心那些又慢又笨重的继电器，而没有想到用其发展计算机。在1947年，他们取得了伟大的发现——一个叫作“晶体管”的小型固态器件。大约5年后，数家公司都推出了晶体管计算机产品。晶体管使计算机向体积更小、功耗更低且更可靠的方向迈出了重大的一步。这些计算机使用的是装在小型金属罐内的分立的（单独的）晶体管，而不是此后出现的具有数十亿晶体管的小型集成电路芯片。这些称作“大型机”的计算机仍然需要放在专用的、冷却良好的屋子里，不过，20世纪70年代的另一个革命性发明使得计算机发展又迈出了坚实的一步。
　　事实上，在晶体管层发生过许多变化。首先是原贝尔实验室的“双极型晶体管”（Bipolar Junction Transistor，BJT）很快被一种更新型的器件替代，它称作“金属氧化物半导体场效应晶体管”（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）。一种将MOSFET混合连接的设计风格称作CMOS，其功耗显著减小。功耗更小的CMOS使得一块芯片上能放置更多的晶体管，而不必担心芯片过热，因而提高了计算机性能。CMOS还有一个特殊的性质，就是当晶体管尺寸变小时，晶体管的工作速度会更快。
　　CMOS晶体管的第三个特点是，其更小的尺寸使得一次流片可以制造出更多的芯片，因为每一块芯片的总面积减小了。每次工艺流程可以容纳更多的芯片，因而使晶体管的成本降低。工业生产中通常将芯片的尺寸保持不变，只是在每个芯片中加入更多的晶体管，以提高性能。
　　最后一个特点则是，若生产进程中使芯片失效的小型粒子缺陷的密度保持不变，则在同样的面积里封装更多的芯片将提高合格芯片所占的比率（即成品率，yield）。这将使得晶体管的制造成本大大降低。从大约1980年开始，CMOS便在计算机芯片设计中占据主导地位，如今CMOS技术仍然是产业飞速发展的核心所在。
　　如果下一代晶体管可以做得更小，那么下一代芯片就可以卖出更便宜的价格，这是制造业的一个巨大的奇迹。如今你仍然可以花同样（甚至更少）的钱，买到和几年前同样价位的个人计算机，而更新的芯片有着更快的速度和更强的功能，同时又能将芯片的温度保持在可控制的范围内。以上这些CMOS的特性真正推动了计算机芯片的重大发展。看到这里，读者应该停下来好好想一想CMOS技术的重要性。还有什么其他产品能够每年提供更好的性能而又保持价格不变甚至更低呢？晶体管和计算机——“天长地久有时尽”？20世纪70年代初，Intel公司生产出了第一个微处理器，先是4位的，然后是8位的。产品的创新依托于晶体管级的进步。在1974年，位于新墨西哥州阿尔布开克市的MITS公司制造了第一台个人计算机，即PC（personal computer）。MITS Altair 8000是一台原始的PC，它需要通过拨码开关输入代码，不过它有一个显示器，并且尺寸降到了打字机那么大。它有一个2MHz的时钟，组装好的成品售价498美元。它也是第一台被个人所拥有的计算机。它使用单个微处理器芯片——Intel 8080来实现计算功能。许多工程师都出于好奇而购买了Altair个人计算机。有趣的是，来自阿尔布开克市新兴的微软公司的比尔·盖茨和保罗·艾伦为MITS Altair PC编写了BASIC语言。1977年，苹果公司发布了Apple II PC，售价为1200美元。之前没有人曾体验过这种价格、尺寸和性能的个人计算机，更不要说拥有一台属于自己的计算机。但是1980年上市的IBM PC具有更深远的影响，因为它开创了企业级应用。计算机的发展不曾回头。商业活动从巨大的、乏味的中央计算机房中解放出来。此后，旅行者们又发现，随着笔记本电脑的出现，他们可以在路上做自己的工作。之前随处可见的“打字机”逐渐被淘汰了。
　　PC在信息可达性方面引起了一场难以想象的巨大革命。技术和新兴的企业开始整合。技术与商务企业的合作，以及政府对关键领域的支持促成了这一革命。然而一个巨大的“企业”——因特网，正静静地等待着人们开启它的大门。
　　20世纪60到70年代，因特网在幕后按照自己的步伐悄悄地发展，在背后推其发展的工程师和科学家希望借此打破地域的限制，使用位于全国各地的彼此的专业计算机。1969年10月，正是借助美国国防部高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）的政府资助，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的计算机主机才可以使用一个叫作接口信息处理器（Interface Message Processor，IMP）的接口单元，与具备类似接口的斯坦福大学的计算机进行通信。计算机资源的远距离共享实现了。尽管实现了消息（后来叫做电子邮件）的交换，但

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