电子元器件应用技术手册 微电子器件分册 韩英歧 9787506657518 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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韩英歧 著

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出版社： 中国标准出版社

ISBN：9787506657518

商品编码：29232159172

包装：平装

出版时间：2010-04-01

基本信息

书名：电子元器件应用技术手册 微电子器件分册

定价：43.00元

作者：韩英歧

出版社：中国标准出版社

出版日期：2010-04-01

ISBN：9787506657518

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.499kg

编辑推荐

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内容提要

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本手册收集了主要常用电子元器件的有关标准、选用原则、检验、测试、筛选等应用知识，并收集了部分常用的、有特殊性能的元器件的型号、规格及主要电性能参数，供读者选用时参考，其目的就是为广大科技人员、电路设计师、可靠性工程师、电子物资人员及检验人员提供一套比较完整实用的电子元器件应用技术资料。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《现代集成电路设计与制造工艺》 一、 现代集成电路设计概述 集成电路（Integrated Circuit, IC），又称芯片，是电子信息技术的核心，更是现代社会不可或缺的基石。从智能手机到高性能服务器，从汽车电子到航空航天，无处不见其身影。本书将深入探讨集成电路设计的各个环节，为读者勾勒出从概念到实现的全景图。 1.1 集成电路设计的层级与流程 现代集成电路设计是一个高度复杂且多层次的过程，通常可以分为以下几个主要阶段： 系统级设计（System-Level Design）： 在这一阶段，设计师将宏观的系统需求转化为一系列模块和接口。这包括确定芯片的功能、性能指标、功耗限制以及与其他组件的交互方式。系统级设计是整个设计流程的起点，其规划的准确性直接影响后续设计的效率和最终产品的成功。 架构设计（Architecture Design）： 在系统级设计的基础上，架构设计将系统分解为更小的、可管理的模块，并定义它们之间的通信协议和数据流。例如，一个微处理器可以被分解为指令解码器、执行单元、缓存控制器等模块。这一阶段需要权衡性能、面积和功耗之间的关系，选择最优的架构方案。 寄存器传输级（Register-Transfer Level, RTL）设计： 这是数字逻辑设计中最常见的抽象层次。RTL设计使用硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL，来描述数据如何在寄存器之间流动以及逻辑门如何实现这些操作。RTL代码是可综合的，意味着它可以被转换成网表（netlist），进而用于物理实现。 逻辑综合（Logic Synthesis）： 逻辑综合工具将RTL代码转化为门级网表，即由基本逻辑门（如AND, OR, NOT, XOR）和触发器组成的电路。这一过程需要优化电路以满足时序、面积和功耗等约束条件。 物理设计（Physical Design）： 物理设计是将逻辑网表转化为芯片物理版图的过程，包括布局（Placement）和布线（Routing）。 布局（Placement）： 将逻辑门和触发器放置在芯片的指定区域内，目标是最小化信号延迟和线间串扰，同时考虑功耗和散热。 布线（Routing）： 在放置好的单元之间连接导线，形成完整的电路。布线过程中需要考虑信号完整性、时序约束和可制造性。 验证（Verification）： 验证是集成电路设计中至关重要且耗时最长的环节，旨在确保设计的正确性。验证方法包括仿真（Simulation）、形式验证（Formal Verification）、静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）等。 制造（Manufacturing）： 芯片制造是将设计好的版图转化为实际芯片的过程，通常在晶圆厂（Foundry）完成。这是一个极其复杂且高精度的过程，涉及光刻、刻蚀、沉积等多种工艺步骤。 测试（Testing）： 制造完成的芯片需要进行严格的测试，以确保其功能和性能符合设计要求，并剔除有缺陷的芯片。 1.2 硬件描述语言（HDL）在设计中的作用 硬件描述语言（HDL）是描述数字电路结构和行为的特殊编程语言，如Verilog和VHDL。它们允许工程师以抽象的方式描述硬件，然后通过工具自动转换为门级网表。 Verilog: Verilog是一种C语言风格的HDL，易于学习和使用，在工业界应用广泛。它可以用于描述从门级到系统级的电路。 VHDL: VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种更具结构化和严谨性的HDL，在一些对设计规范性要求更高的领域（如军事和航空航天）有较多应用。 HDL的使用极大地提高了设计效率，使得复杂芯片的设计成为可能。通过HDL，工程师可以快速验证设计思路，进行功能仿真，并为后续的逻辑综合奠定基础。 1.3 现代EDA工具的重要性 电子设计自动化（Electronic Design Automation, EDA）工具是现代集成电路设计不可或缺的利器。这些软件工具涵盖了设计流程的各个阶段，极大地提高了设计的自动化程度和效率。 RTL设计工具： 如Synopsys的Design Compiler, Cadence的Genus等，用于将RTL代码综合成门级网表。 物理设计工具： 如Cadence的Innovus, Synopsys的IC Compiler等，用于芯片的布局和布线。 验证工具： 如Synopsys的VCS, Cadence的Xcelium等，用于对芯片功能进行仿真和验证。 静态时序分析（STA）工具： 用于在不进行仿真的情况下，分析电路的时序性能，确保芯片在设定的时钟频率下能够正常工作。 功耗分析工具： 用于估算和优化芯片的功耗。 形式验证工具： 通过数学方法证明电路设计的正确性，补充仿真验证的不足。 EDA工具的发展是推动集成电路技术进步的关键因素之一，它们使得工程师能够处理日益增长的设计复杂性，缩短产品上市时间。 二、 微电子器件的原理与特性 集成电路的核心是微电子器件，它们的性能和可靠性直接决定了整个芯片的功能和表现。本章节将深入探讨各种关键微电子器件的工作原理、物理特性及其在现代设计中的应用。 2.1 半导体材料与PN结 集成电路的基础是半导体材料，最常用的是硅（Si）和砷化镓（GaAs）。半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，其导电性可以通过掺杂（doping）来精确控制。 本征半导体（Intrinsic Semiconductor）： 指纯净的半导体材料，其导电性较低，载流子（电子和空穴）由热激发产生。 外延半导体（Extrinsic Semiconductor）： 通过掺杂杂质原子得到的半导体。 N型半导体（N-type Semiconductor）： 掺杂有五价元素（如磷P、砷As），引入多余的电子作为多数载流子。 P型半导体（P-type Semiconductor）： 掺杂有三价元素（如硼B、镓Ga），引入多余的空穴作为多数载流子。 PN结（PN Junction）是N型半导体和P型半导体结合形成的区域。当PN结处于不同偏压状态时，会表现出独特的电学特性： 零偏压（Zero Bias）： 内部内建电场形成，形成耗尽区。 正偏压（Forward Bias）： 外加电压使得多数载流子能够越过势垒，PN结导通，有较大的电流流过。 反偏压（Reverse Bias）： 外加电压使得多数载流子被推离PN结，耗尽区增大，PN结截止，只有微弱的漏电流流过。 PN结的单向导电性是构成几乎所有半导体器件的基础。 2.2 MOS晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET） MOSFET是现代集成电路中最基本的逻辑开关和放大元件。其核心结构由金属栅极（Gate）、氧化层（Oxide）和半导体衬底（Semiconductor Substrate）组成。 结构组成： 源极（Source）和漏极（Drain）： 两个掺杂区域，通常与衬底形成PN结。 栅极（Gate）： 通常是金属或多晶硅，通过氧化层与半导体衬底绝缘。 氧化层（Gate Oxide）： 通常是二氧化硅（SiO2），作为栅极和衬底之间的绝缘层。 衬底（Substrate）： 通常是P型或N型硅。 工作原理（以N沟道增强型MOSFET为例）： 当栅极电压（Vgs）低于阈值电压（Vt）时，栅极下方区域没有导电沟道，漏极和源极之间几乎没有电流流过（截止区）。 当栅极电压（Vgs）高于阈值电压（Vt）时，栅极电场会在半导体表面感应出反型层，形成N型导电沟道，连接源极和漏极。此时，如果存在漏源电压（Vds），则有电流（Ids）从漏极流向源极。 根据Vds的大小，MOSFET可以工作在线性区（Linear Region）或饱和区（Saturation Region）。在饱和区，漏极电流Ids主要由Vgs决定，与Vds关系不大，此时MOSFET表现出电流源的特性，常用于放大器。 MOSFET的优势： 低功耗： 工作时静态功耗极低。 高集成度： 易于制造小型化。 工艺成熟： 适合大规模制造。 CMOS（Complementary MOS）工艺： 利用PMOS和NMOS晶体管互补的特性，可以构建出高速、低功耗的数字逻辑电路。CMOS工艺是现代数字集成电路的主流工艺。 2.3 双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT） BJT是一种重要的三端半导体器件，由两个PN结组成，有NPN型和PNP型两种。与MOSFET不同，BJT是电流控制器件。 结构组成： 发射极（Emitter）： 负责发射载流子。 基极（Base）： 控制发射极和集电极之间的电流。 集电极（Collector）： 收集从发射极过来的载流子。 工作原理（以NPN型BJT为例）： 基极电流（Ib）控制着集电极电流（Ic）。微小的基极电流变化可以引起集电极电流的较大变化，实现电流放大。 BJT的工作区域包括截止区、放大区和饱和区。在放大区，Ic ≈ β Ib，其中β是电流放大系数。 BJT的应用： BJT在模拟电路设计中仍有广泛应用，尤其是在高频、大功率放大器和电流源等领域。 2.4 其他重要的微电子器件 除了MOSFET和BJT，集成电路中还包含许多其他重要的微电子器件，它们在特定应用中发挥着关键作用： 二极管（Diode）： 最基本的PN结器件，用于整流、限幅、稳压等。 电阻（Resistor）： 用于限流、分压，可以通过掺杂和结构控制其阻值。 电容（Capacitor）： 用于储能、滤波、耦合等。在集成电路中，通常使用MOS结构或金属-氧化层-金属（MIM）结构实现。 电感（Inductor）： 在RF和微波电路中用于匹配、滤波等，但在集成电路中制造较为困难，通常采用寄生电感或片外电感。 光电器件： 如光敏二极管、LED（发光二极管）、激光二极管等，用于光信号的检测和发射。 功率器件： 如IGBT（绝缘栅双极晶体管）、功率MOSFET等，用于电力电子领域，处理大电流和高电压。 MEMS（微机电系统）器件： 集成在芯片上的微型机械结构，如加速度计、陀螺仪、微马达等，广泛应用于消费电子和汽车电子。 三、 高级集成电路设计技术 随着集成电路规模的不断扩大和功能的日益复杂，涌现出许多高级设计技术，以应对挑战并提高性能。 3.1 低功耗设计（Low Power Design） 功耗是现代电子设备（尤其是便携式设备）面临的关键挑战。低功耗设计技术旨在最大限度地降低芯片的功耗，延长电池续航时间，减少散热需求。 动态功耗（Dynamic Power）： 由电路开关动作产生的功耗，与工作频率和电源电压有关。降低频率和电压是减小动态功耗的有效手段。 静态功耗（Static Power）： 由漏电流引起的功耗，即使电路不工作也存在。可以通过采用亚阈值摆幅（Sub-threshold Swing）更小的晶体管、优化工艺参数、采用多阈值电压（Multi-Vt）设计等方法来降低。 功耗优化技术： 门控时钟（Clock Gating）： 在不需要工作的功能模块上关闭时钟信号，减少动态功耗。 电源门控（Power Gating）： 在不工作的功能模块上切断电源，进一步降低静态功耗。 动态电压频率调整（DVFS）： 根据任务需求动态调整工作电压和频率。 混合信号设计（Mixed-Signal Design）： 将数字和模拟电路集成在同一芯片上，需要精细的功耗管理策略。 3.2 高性能计算与并行处理 高性能计算（High-Performance Computing, HPC）依赖于强大的处理器和高效的计算架构。 多核处理器（Multi-core Processors）： 在单个芯片上集成多个处理器核心，通过并行处理任务来提高整体性能。 异构计算（Heterogeneous Computing）： 集成不同类型的处理器（如CPU、GPU、FPGA、DSP），根据任务特点选择最适合的处理器执行，以实现更高的性能和效率。 指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）： 如x86、ARM、RISC-V等，定义了处理器能够执行的指令集，对性能和功耗有重要影响。 3.3 先进制造工艺与器件创新 集成电路制造工艺的不断演进是推动摩尔定律（Moore's Law）持续发展的核心驱动力。 FinFET（Fin Field-Effect Transistor）： 采用三维鳍状栅极结构，相比传统的平面MOSFET，具有更好的栅极控制能力，能有效减小漏电流，提高性能和降低功耗，是当前先进工艺的主流器件。 GAAFET（Gate-All-Around Field-Effect Transistor）： 进一步发展FinFET，采用环绕所有栅极（Gate-All-Around）的结构，提供更优的栅极控制，以应对更小的线宽和更高的集成密度。 先进材料： 如高介电常数（High-k）栅介质材料、金属栅极、应变硅（Strained Silicon）等，用于改善器件性能。 3D集成： 将多个芯片堆叠在一起，通过垂直互连技术实现更紧密的集成，缩短互连长度，提高性能并减小封装尺寸。 3.4 接口技术与通信协议 随着信息量的爆炸式增长，高效可靠的接口技术和通信协议在集成电路设计中占据越来越重要的地位。 高速串行接口： 如PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）、USB（Universal Serial Bus）、HDMI（High-Definition Multimedia Interface）、DDR（Double Data Rate）SDRAM接口等，用于高速数据传输。 无线通信接口： 如Wi-Fi、Bluetooth、5G NR（New Radio）等，涉及复杂的RF（射频）和基带处理电路设计。 片上网络（Network-on-Chip, NoC）： 在大型SoC（System on Chip）内部，用类似于网络的方式连接各个处理单元和 IP核，提高通信效率和可扩展性。 四、 可靠性与测试 集成电路的可靠性对于其在各种应用场景下的稳定运行至关重要。 可靠性挑战： 随着器件尺寸的缩小和工作电压的降低，集成电路面临着多种可靠性问题，如电迁移（Electromigration）、栅氧化击穿（Gate Oxide Breakdown）、热载流子注入（Hot Carrier Injection, HCI）、负偏压栅诱导漏电流（NBTI）等。 可靠性设计： 在设计阶段就要考虑器件的可靠性，包括选择合适的工艺参数、进行冗余设计、优化布局布线以减小应力等。 芯片测试： 芯片制造完成后，需要进行严格的测试，以确保其功能、性能和可靠性满足规格要求。测试方法包括功能测试、性能测试、功耗测试、可靠性测试等。常用的测试技术有ATPG（Automatic Test Pattern Generation）、DFT（Design for Testability）等。 结语 集成电路设计与微电子器件是信息时代的核心驱动力。本书从集成电路设计的整体流程、关键微电子器件的原理，到当前和未来的高级设计技术、可靠性与测试，为读者提供了一个全面而深入的视角。理解这些内容，对于投身于电子信息领域的工程师、研究人员乃至对此感兴趣的爱好者，都将具有重要的理论和实践价值。随着技术的不断进步，集成电路的设计将更加智能化、绿色化和高性能化，持续引领着科技发展的浪潮。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书中关于半导体工艺和材料的部分尤为欣赏。它不像很多教科书那样，只是简单地提及“半导体材料”，而是深入到硅的晶体结构、掺杂的原理，以及pn结的形成和特性。书中对光刻、刻蚀、薄膜沉积等微电子制造工艺的描述，让我对芯片是如何一步步“生长”出来的有了宏观的认识。它还介绍了不同类型半导体材料的优缺点，比如砷化镓（GaAs）和碳化硅（SiC）在特定应用中的优势，这让我意识到材料选择对器件性能的重要性。最让我印象深刻的是，书中对肖特基势垒和MOSFET的能带图分析，虽然涉及了一些物理学知识，但通过清晰的图示和逻辑推导，我能够理解不同工作状态下载流子的行为。这本书的这部分内容，为我理解更复杂的半导体器件提供了坚实的理论基础。

评分☆☆☆☆☆

这本《电子元器件应用技术手册》的微电子器件分册，最让我印象深刻的是其对集成电路（IC）设计理念的阐述。它没有停留于表面介绍几种常见的IC类型，而是深入探讨了IC内部的工作机制，特别是CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的发展历程和核心优势。书中通过对晶体管结构、栅极氧化层、源漏极设计等细节的描绘，让我对“微”的极致追求有了直观感受。它还详细介绍了数字逻辑门电路的实现原理，从最基础的与非门、或非门，到更复杂的加法器、触发器，每个部分都配有清晰的逻辑图和时序图，让我能够逐步理解数字电路的构建逻辑。让我颇感意外的是，书中还涉及了模拟IC的设计基础，比如运算放大器的内部结构和性能指标，以及滤波器电路的设计方法。虽然这部分内容对我来说有些挑战，但书中提供的例子和分析方法，让我对模拟信号的处理有了初步的认识。这本书不仅仅是一本元器件的“说明书”，更像是一扇通往IC设计世界的大门，打开了我的视野。

评分☆☆☆☆☆

这本书的某些章节，特别是关于存储器器件的部分，让我耳目一新。我原以为存储器无非就是ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）的简单分类，但这本书却深入到了DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）的具体工作原理，以及NAND Flash和NOR Flash在数据存储和读写方式上的差异。书中对电容充放电在DRAM中的作用，以及RS触发器在SRAM中的应用，都做了非常细致的解释。让我感到惊喜的是，它还讲解了EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）和Flash存储器是如何实现数据非易失性的，以及它们在嵌入式系统中的常见应用场景，比如固件存储和数据记录。对于我这种对嵌入式系统开发感兴趣的人来说，理解存储器的底层原理和选择合适的存储器类型，是至关重要的。这本书在这方面提供的知识，无疑极大地增强了我的技术储备。

评分☆☆☆☆☆

这本书我刚收到，迫不及待地翻阅起来。虽然书名提到“电子元器件应用技术手册”，但真正让我眼前一亮的是其中对几种新兴传感器技术的深入剖析。比如，书中详细讲解了MEMS（微机电系统）传感器的设计原理和制造工艺，通过大量的图示和公式，把微观世界的精妙结构展现在眼前，让人惊叹于现代科技的巧思。特别是关于压力传感器和加速度传感器的应用案例，从智能手机的姿态识别到汽车的安全气囊触发，都解释得条理清晰，让我对这些日常生活中习以为常的设备有了更深的理解。此外，书中的光敏传感器的部分也给了我不少启发，它不仅介绍了光电二极管和光敏电阻的工作原理，还结合了实际电路设计，比如如何用它们来构建自动感应照明系统，或者进行光照强度监测。我尤其喜欢它对不同光照条件下传感器响应特性的分析，这对于我日后进行户外项目设计非常有帮助。总的来说，这本书在理论深度和实际应用之间找到了很好的平衡点，无论是初学者还是有一定经验的工程师，都能从中获益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我最大的感受是它在讲解功率半导体器件方面做得非常出色。我一直对大功率器件在电力电子领域的应用很感兴趣，比如IGBT（绝缘栅双极晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。这本书不仅详细介绍了这些器件的物理结构和工作原理，还重点分析了它们在各种电力变换器中的应用，例如开关电源、变频器和逆变器。书中关于器件的开关特性、导通损耗和关断损耗的分析，让我对如何选择合适的功率器件以提高效率有了更深刻的认识。它还提供了一些设计电路时需要注意的细节，比如栅极驱动电路的设计、散热问题以及防止反向击穿的措施。让我特别受益的是，书中用大量的图表和实验数据来佐证理论，使得原本枯燥的公式和概念变得生动易懂。对于任何从事电力电子设计或者对大功率器件感兴趣的工程师和学生来说，这本书都是一本不可多得的参考资料。