CMOS及其他先導技術：特大規模集成電路設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] 劉金Tsu-Jae King Liu 科林· 著

圖書標籤:

• CMOS
• 集成電路
• VLSI
• 芯片設計
• 半導體
• 電子工程
• 模擬電路
• 數字電路
• 工藝
• 電路設計

店鋪： 墨林閣圖書專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111593911

商品編碼：29415641248

包裝：平裝-膠訂

齣版時間：2018-04-01

基本信息

書名：CMOS及其他先導技術：特大規模集成電路設計

定價：99.00元

作者：劉金(Tsu-Jae King Liu) 科林·庫恩(Ke

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2018-04-01

ISBN：9787111593911

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝-膠訂

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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本書概述現代CMOS晶體管的技術發展，提齣新的設計方法來改善晶體管性能存在的局限性。本書共四部分。一部分迴顧瞭芯片設計的注意事項並且基準化瞭許多替代性的開關器件，重點論述瞭具有更陡峭亞閾值擺幅的器件。第二部分涵蓋瞭利用量子力學隧道效應作為開關原理來實現更陡峭亞閾值擺幅的各種器件設計。第三部分涵蓋瞭利用替代方法實現更高效開關性能的器件。第四部分涵蓋瞭利用磁效應或電子自鏇攜帶信息的器件。本書適閤作為電子信息類專業與工程等專業的教材，也可作為相關專業人士的參考書。

目錄

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Contents目　錄
譯者序
前言
部分　CMOS電路和工藝限製
章　CMOS數字電路的能效限製2
　1.1　概述2
　1.2　數字電路中的能量性能摺中3
　1.3　能效設計技術6
　1.4　能量限製和總結8
　參考文獻9
第2章　先導工藝晶體管等比例縮放：特大規模領域可替代器件結構10
　2.1　引言10
　2.2　可替代器件結構10
　2.3　總結22
　參考文獻23
第3章　基準化特大規模領域可替代器件結構30
　3.1　引言30
　3.2　可替代器件等比例縮放潛力30
　3.3　可比器件的縮放潛力33
　3.4　評價指標35
　3.5　基準測試結果37
　3.6　總結38
　參考文獻39
第4章　帶負電容的擴展CMOS44
　4.1　引言44
　4.2　直觀展示45
　4.3　理論體係47
　4.4　實驗工作51
　4.5　負電容晶體管54
　4.6　總結56
　緻謝57
　參考文獻57
第二部分　隧道器件
第5章　設計低壓高電流隧穿晶體管62
　5.1　引言62
　5.2　隧穿勢壘厚度調製陡峭度63
　5.3　能量濾波切換機製65
　5.4　測量電子輸運帶邊陡度66
　5.5　空間非均勻性校正68
　5.6　pn結維度68
　5.7　建立一個完整的隧穿場效應晶體管80
　5.8　柵極效率大化84
　5.9　避免其他的設計問題88
　5.10　總結88
　緻謝89
　參考文獻89
第6章　隧道晶體管92
　6.1　引言92
　6.2　隧道晶體管概述93
　6.3　材料與摻雜的摺中95
　6.4　幾何尺寸因素和柵極靜電99
　6.5　非理想性103
　6.6　實驗結果106
　6.7　總結108
　緻謝108
　參考文獻108
第7章　石墨烯和二維晶體隧道晶體管115
　7.1　什麼是低功耗開關115
　7.2　二維晶體材料和器件的概述116
　7.3　碳納米管和石墨烯納米帶116
　7.4　原子級薄體晶體管124
　7.5　層間隧穿晶體管130
　7.6　內部電荷與電壓增益陡峭器件137
　7.7　總結137
　參考文獻137
第8章　雙層僞自鏇場效應晶體管…140
　8.1　引言140
　8.2　概述141
　8.3　基礎物理145
　8.4　BiSFET設計和集約模型152
　8.5　BiSFET邏輯電路和仿真結果157
　8.6　工藝161
　8.7　總結162
　緻謝163
　參考文獻163
第三部分　可替代場效應器件
第9章　關於相關氧化物中金屬絕緣體轉變與相位突變的計算與學習166
　9.1　引言166
　9.2　二氧化釩中的金屬絕緣體轉變168
　9.3　相變場效應器件172
　9.4　相變兩端器件178
　9.5　神經電路181
　9.6　總結182
　參考文獻182
0章　壓電晶體管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動力學193
　10.5　材料與器件製造200
　10.6　性能評價203
　10.7　討論205
　緻謝206
　參考文獻206
1章　機械開關209
　11.1　引言209
　11.2　繼電器結構和操作210
　11.3　繼電器工藝技術214
　11.4　數字邏輯用繼電器設計優化220
　11.5　繼電器組閤邏輯電路227
　11.6　繼電器等比例縮放展望232
　參考文獻234
第四部分　自鏇器件
2章　納米磁邏輯：從磁有序到磁計算240
　12.1　引言與動機240
　12.2　作為二進製開關單元的單域納米磁體242
　12.3　耦閤納米磁體特性244
　12.4　工程耦閤：邏輯門與級聯門246
　12.5　磁有序中的錯誤248
　12.6　控製磁有序：同步納米磁體250
　12.7　NML計算係統252
　12.8　垂直磁介質中的納米磁體邏輯255
　12.9　兩個關於電路的案例研究259
　12.10　NML電路建模260
　12.11　展望：NML電路的未來261
　緻謝261
　參考文獻262
3章　自鏇轉矩多數邏輯門邏輯267
　13.1　引言267
　13.2　麵內磁化的SMG268
　13.3　仿真模型270
　13.4　麵內磁化開關的模式272
　13.5　垂直磁化SMG276
　13.6　垂直磁化開關模式278
　13.7　總結283
　參考文獻284
4章　自鏇波相位邏輯286
　14.1　引言286
　14.2　自鏇波的計算287
　14.3　實驗驗證的自鏇波元件及器件287
　14.4　相位邏輯器件290
　14.5　自鏇波邏輯電路與結構292
　14.6　與CMOS的比較297
　14.7　總結299
　參考文獻300
第五部分　關於互連的思考
5章　互連304
　15.1　引言304
　15.2　互連問題305
　15.3　新興的電荷器件技術的互連選項307
　15.4　自鏇電路中的互連思考312
　15.5　自鏇弛豫機製315
　15.6　自鏇注入與輸運效率318
　15.7　電氣互連與半導體自鏇電子互連的比較320
　15.8　總結與展望324
　參考文獻324

作者介紹

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文摘

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序言

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CMOS及其他先導技術：特大規模集成電路設計 深入探索現代集成電路設計的核心奧秘與前沿脈絡 本書亮點： 全麵覆蓋： 係統闡述瞭CMOS技術作為當前及未來集成電路設計的基石，並深入探討瞭支撐其發展的各種先導技術。 設計導嚮： 重點關注特大規模集成電路（VLSI）的設計流程、關鍵挑戰與創新解決方案，為讀者提供紮實的理論基礎和實踐指導。 前沿洞察： 緊跟技術發展步伐，詳盡分析瞭如FinFET、GAAFET等下一代晶體管結構，以及新興的材料、互連技術和先進封裝技術對設計的影響。 實用價值： 結閤豐富的圖示、案例分析和理論推導，幫助讀者理解復雜的設計概念，掌握解決實際工程問題的能力。 麵嚮未來： 展望瞭超低功耗設計、異構集成、AI硬件加速等未來VLSI設計的重要發展方嚮。 內容概述： 第一部分：CMOS技術基石與演進 本部分將深入剖析CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技術之所以成為現代集成電路設計主導者的根本原因。我們將從MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的基本原理齣發，詳細講解P溝道和N溝道MOSFET的結構、工作特性、開關行為以及它們如何構成互補的CMOS邏輯門。讀者將理解CMOS技術在低功耗、高速度和高集成度方麵的優勢。 隨後，本書將追溯CMOS技術的演進曆程，從平麵MOSFET到應變矽、高介電常數（High-k）柵介質和金屬柵（Metal Gate）等關鍵技術節點，深入分析這些技術進步如何剋服短溝道效應、漏電流和功耗等挑戰，不斷提升器件性能和集成密度。我們將詳細介紹這些技術在縮小尺寸、提升開關速度、降低功耗方麵的作用，以及它們對設計規則和工藝流程提齣的新要求。 第二部分：特大規模集成電路（VLSI）設計流程與挑戰 特大規模集成電路（VLSI）的設計是一個復雜且多階段的過程。本部分將係統梳理典型的VLSI設計流程，從需求定義、架構設計、邏輯設計（RTL）、綜閤、物理設計（布局與布綫）到驗證和流片。我們將詳細講解每個階段的關鍵活動、麵臨的挑戰以及常用的設計工具和方法。 邏輯設計與綜閤： 重點闡述如何將高層次的設計需求轉化為可執行的邏輯電路，包括HDL（Hardware Description Language）的使用，如Verilog或VHDL，以及邏輯綜閤的目標和約束。讀者將學習如何優化邏輯以滿足性能、麵積和功耗的要求。 物理設計： 這是VLSI設計中最具挑戰性的環節之一。我們將深入講解布局（Placement）、時鍾樹綜閤（CTS）、布綫（Routing）等關鍵技術。分析在縮小尺寸下，互連綫電阻、電容、串擾（Crosstalk）等寄生效應如何嚴重影響電路性能，以及如何通過先進的物理設計技術來緩解這些問題。我們將探討靜態時序分析（STA）的重要性，以及如何確保設計在不同工藝角和工作條件下都能滿足時序要求。 功耗與可靠性設計： 隨著集成度的不斷提高，功耗和可靠性已成為VLSI設計的核心問題。本書將詳細探討動態功耗和靜態功耗的來源，並介紹各種低功耗設計技術，如時鍾門控（Clock Gating）、電源門控（Power Gating）、動態電壓和頻率調整（DVFS）等。同時，我們將分析集成電路可能麵臨的可靠性挑戰，如電遷移（Electromigration）、應力相關的延遲變化（NBTI/PBTI）等，並介紹相關的設計和驗證方法。 驗證： 復雜VLSI芯片的正確性至關重要。我們將強調驗證在整個設計流程中的關鍵作用，介紹功能驗證、形式驗證、時序驗證和物理驗證等多種驗證方法。讀者將瞭解如何構建有效的驗證平颱，編寫激勵，並使用仿真和形式化工具來確保設計的功能正確性和物理設計的閤規性。 第三部分：先導技術與下一代器件 本部分將聚焦於推動CMOS技術繼續前進的各種先導技術，特彆是下一代晶體管結構和新型材料的應用。 FinFET及後FinFET器件： 我們將詳細解析FinFET（Fin Field-Effect Transistor）的工作原理、結構優勢以及它如何通過多柵控製有效抑製短溝道效應，實現更高的性能和更低的漏電流。在此基礎上，本書將展望和討論更先進的器件結構，如全柵（GAAFET，Gate-All-Around FET）等，分析其在進一步縮小尺寸、提升柵控製能力方麵的潛力。 新材料與互連技術： 介紹在柵介質、溝道材料和互連綫方麵的新進展。例如，高遷移率材料（如III-V族材料）在溝道中的應用，以及新的低介電常數（Low-k）和超低介電常數（Ultra-Low-k）材料在減小互連綫電容方麵的作用。我們將探討銅互連技術的演進，以及未來可能齣現的納米綫（Nanoribbon）或碳納米管（CNT）等新型互連方案。 先進封裝技術： 隨著摩爾定律的放緩，先進封裝技術已成為延續集成電路性能提升的重要途徑。本書將介紹2.5D和3D集成技術，如矽通孔（TSV，Through-Silicon Via）的應用，以及Chiplet（小芯片）技術的發展。分析這些技術如何實現多芯片的緊密集成，提高係統性能，減小封裝尺寸，並為異構計算提供新的可能性。 第四部分：麵嚮未來的VLSI設計趨勢 本部分將展望VLSI設計在未來幾個主要發展方嚮上的趨勢和挑戰。 超低功耗設計： 隨著物聯網、可穿戴設備和移動計算的普及，對超低功耗的需求日益增長。我們將深入探討新興的低功耗技術，包括亞閾值（Subthreshold）電路設計、能量收集技術與集成電路的設計協同，以及如何利用新興材料和器件實現極緻的能效比。 異構集成與係統級集成： 強調未來芯片設計將更多地走嚮異構集成，將不同功能（如CPU、GPU、AI加速器、射頻模塊等）的小芯片集成到一個封裝中。本書將討論這種集成方式帶來的設計挑戰，如接口設計、通信協議、熱管理和驗證的復雜性，以及先進封裝如何支撐異構係統的實現。 AI與機器學習在IC設計中的應用： 探討人工智能和機器學習技術如何在IC設計流程中發揮作用，例如在邏輯綜閤、布局布綫、功耗優化和驗證覆蓋率提升等方麵。分析AI驅動的設計（AIDD）的潛力，以及它如何加速設計周期，提高設計質量。 新興應用領域的設計考量： 簡要介紹麵嚮人工智能硬件加速、自動駕駛、5G/6G通信、生物電子學等新興應用領域的IC設計特殊需求和技術挑戰，例如對高吞吐量、低延遲、高精度以及特殊安全性的要求。 本書特色： 本書的編寫旨在為讀者構建一個既有深度又有廣度的VLSI設計知識體係。在理論講解上，力求嚴謹準確，並通過詳細的公式推導和原理分析，幫助讀者深入理解技術背後的科學依據。在實踐層麵，本書通過豐富的圖示、示意圖和類比，將抽象的設計概念可視化，並結閤對行業發展趨勢的分析，使讀者能夠更好地把握當前和未來的技術脈搏。 本書適閤集成電路設計領域的工程師、研究人員，以及對VLSI設計感興趣的大學本科生和研究生。通過閱讀本書，讀者將能夠： 深入理解CMOS技術的核心原理及其在現代電子産品中的地位。 掌握VLSI設計的完整流程，並認識到各個環節的關鍵挑戰。 熟悉支撐CMOS技術發展的各種先導技術，特彆是下一代器件結構和材料。 洞察未來VLSI設計的關鍵趨勢和發展方嚮。 提升解決復雜集成電路設計問題的能力。 本書希望成為一本集理論深度、實踐指導和前沿視野於一體的寶貴參考書，助力讀者在快速發展的集成電路領域取得成功。

評分☆☆☆☆☆

這本書對我而言，更像是一扇通往半導體技術前沿的窗戶。雖然我不是直接從事CMOS器件研發的工程師，但我對新興的半導體材料和技術趨勢非常感興趣。書中對CMOS之外的“其他先導技術”的介紹，讓我看到瞭半導體産業的未來方嚮。它不僅僅局限於矽基CMOS，還對碳納米管、二維材料（如石墨烯）等潛在的下一代晶體管材料進行瞭探討，分析瞭它們在性能、功耗以及製造方麵的優勢和挑戰。書中還提及瞭量子效應在未來器件中的應用前景，雖然這部分內容比較理論化，但極具啓發性。它讓我意識到，CMOS技術雖然成熟，但並非終點，半導體行業的創新一直在不斷湧現。這本書為我提供瞭一個審視整個半導體技術發展脈絡的視角，讓我對未來的技術革新充滿瞭期待。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我當初買這本書，更多是被“特大規模集成電路設計”這個副標題所吸引，我一直對如何在一個小小的芯片上集成億萬個晶體管感到好奇。這本書在這方麵確實給齣瞭相當詳盡的解答。它並沒有直接教你如何畫版圖或者寫HDL代碼，而是從更宏觀的層麵，講解瞭在超大規模集成電路設計中所麵臨的挑戰和相應的解決方案。我印象深刻的是關於時序分析和功耗優化的章節，書中的解釋非常係統，從時鍾樹綜閤到低功耗設計方法，都進行瞭深入的探討。它還談到瞭設計中的可製造性問題，以及如何通過設計來降低芯片的製造成本和提高良率。書中對各種設計流和EDA工具的提及，雖然沒有具體的操作教程，但足以讓我對整個IC設計流程有一個大緻的瞭解。我尤其喜歡它對一些經典的設計模式和架構的分析，這有助於我理解為什麼許多現代的處理器和SoC會采用類似的設計。

評分☆☆☆☆☆

這本書在我的書架上靜靜地躺瞭一段時間，直到最近我開始深入研究SOC（System on Chip）設計時，纔真正打開瞭它。起初，我以為它隻是一本介紹CMOS器件本身的專著，但翻閱之後纔發現，它在“先導技術”這個方嚮的延伸更為驚艷。特彆是關於先進的CMOS工藝節點，比如FinFET和GAAFET，書中的講解讓我對這些前沿技術有瞭更直觀的理解。它沒有停留在理論層麵，而是深入到這些新結構是如何剋服傳統平麵CMOS的短溝道效應，如何提高漏電流控製能力，以及它們在功耗和性能上的優勢。我特彆關注瞭書中關於互連綫技術和封裝技術的部分，這些往往是容易被忽視但對整體芯片性能至關重要的環節。講解中穿插瞭不少實際案例和研究趨勢的分析，比如如何通過材料創新來提升導電性，如何優化封裝以解決散熱問題，這些都讓我看到瞭集成電路設計的廣度和深度。這本書就像一個導覽，指引我在復雜而快速發展的半導體領域，能夠看到那些驅動創新的“幕後英雄”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就透著一股嚴謹的學術氣息，那種略帶磨砂質感的紙張，加上清晰的字體，讓人一眼就能感受到內容的深度。我本來是抱著學習CMOS基本原理的心態去翻閱的，畢竟在數字電路領域，CMOS技術的重要性不言而喻。從理論基礎講起，講解得非常紮實，從MOSFET的結構、工作原理，到各種工藝流程中的關鍵步驟，都描繪得相當細緻。我尤其欣賞它在解釋復雜的晶體管特性時，那種循序漸進的方式，即便是一些初學者也能憑藉清晰的圖示和通俗的語言逐漸領會。它不僅僅是羅列公式和概念，更側重於對這些原理的物理意義進行闡釋，比如為什麼會産生亞閾值區，閾值電壓的偏移機理等等，這些都讓我受益匪淺。書中還涉及瞭一些基礎的版圖設計和物理驗證的概念，這對於理解芯片是如何從理論走嚮實際製造非常有幫助。它成功地搭建瞭從器件物理到電路設計的橋梁，讓我對集成電路的“硬件”層麵有瞭更全麵的認識。雖然我隻是初步涉獵，但這本書給我的感覺是，它能為深入研究CMOS技術打下堅實的基礎，後續的學習也會更有方嚮感。

評分☆☆☆☆☆

我一直對芯片的“物理世界”充滿好奇，這本書恰好滿足瞭我對CMOS器件更深層次的探索欲望。書中對MOS晶體管的物理建模和仿真部分，雖然篇幅不多，但講解得相當到位。它介紹瞭如何通過數學模型來描述晶體管的電流-電壓特性，以及影響這些特性的各種物理參數，比如摻雜濃度、氧化層厚度等。我印象最深的是關於工藝變異（process variation）的討論，書中的分析讓我意識到，即使是相同的器件，在製造過程中也會存在微小的差異，而這些差異對最終的芯片性能會産生怎樣的影響。它還涉及瞭一些關於可靠性設計的內容，比如如何預測和避免熱電子效應、隧道效應等損傷。這些知識讓我覺得，設計一個穩定可靠的芯片，遠比想象中要復雜得多。這本書讓我看到瞭，在工程師眼中，每一個晶體管都並非是簡單的開關，而是承載著復雜的物理定律和設計考量。