CMOS数字集成电路设计 9787111529330 机械工业出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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美查尔斯.霍金斯Charles Hawkins等 著

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• 机械工业出版社

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111529330

商品编码：29420723621

包装：平装

出版时间：2016-04-01

基本信息

书名：CMOS数字集成电路设计

定价：69.00元

作者：(美)查尔斯.霍金斯(Charles Hawkins)等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-04-01

ISBN：9787111529330

字数：252000

页码：242

版次：1

装帧：平装

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

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作者介绍

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文摘

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序言

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《微电子器件的物理学基础与制造工艺》 内容概要： 本书深入探讨了构成现代集成电路核心的半导体器件的物理学原理及其制造流程。从材料科学的基础出发，详细介绍了硅的晶体结构、掺杂机理以及 PN 结的形成与特性。在此基础上，本书系统阐述了MOS（金属-氧化物-半导体）场效应晶体管（FET）的工作原理，包括其沟道形成、载流子传输、电导调制等关键过程。读者将学习到不同类型的 MOS 器件，如 NMOS 和 PMOS 的结构、特点以及在电路设计中的应用。 本书还全面覆盖了集成电路制造的各个关键环节。从硅晶圆的制备、氧化层的生长、光刻技术（包括光刻胶的应用、曝光和显影）、刻蚀（干法刻蚀和湿法刻蚀）、薄膜沉积（如化学气相沉积 CVD、物理气相沉积 PVD）到离子注入和金属化工艺，本书都进行了细致入微的介绍。每一个工艺步骤的物理化学原理、关键设备和工艺参数控制都得到了详尽的解释，旨在帮助读者理解这些复杂的制造过程如何一步步地将抽象的设计转化为实际的芯片。 章节详细介绍： 第一章：半导体材料基础 1.1 晶体结构与能量带理论： 深入剖析硅等半导体材料的晶体结构，如金刚石立方结构。阐述原子轨道如何形成分子轨道，进而形成能带。重点解释价带、导带和禁带宽度，以及它们如何决定材料的导电特性。区分本征半导体和杂质半导体。 1.2 掺杂技术与载流子浓度： 详细介绍 N 型和 P 型掺杂的原理，包括施主（如磷、砷）和受主（如硼、镓）杂质的引入。解释掺杂如何改变载流子（电子和空穴）的浓度，从而控制半导体的导电率。讨论温度对载流子浓度的影响。 1.3 扩散与迁移： 阐述载流子在浓度梯度下的扩散现象，并引入扩散系数的概念。解释在电场作用下，载流子定向移动的迁移现象，以及迁移率如何表征载流子在材料中的运动能力。 第二章：PN 结的形成与特性 2.1 PN 结的形成与空间电荷区： 详细描述 P 型和 N 型半导体接触时，少数载流子向多数载流子区域扩散，形成空间电荷区（耗尽区）。解释内置电势的形成及其对载流子扩散的阻碍作用。 2.2 PN 结的偏置特性： 2.2.1 无偏置 PN 结： 分析无偏置状态下的载流子分布和电场分布，以及达到热平衡的条件。 2.2.2 正偏置 PN 结： 解释外加正向电压如何减小内置电势，促进多数载流子越过势垒，形成正向电流。推导正向电流的指数关系。 2.2.3 反偏置 PN 结： 解释外加反向电压如何增大内置电势，抑制多数载流子流动，形成微小的反向饱和电流。详细阐述击穿现象，包括齐纳击穿和雪崩击穿。 2.3 PN 结电容： 分析 PN 结在不同偏置下的电容特性，区分扩散电容（正偏时）和结电容（反偏时），并阐述它们在电路中的作用。 第三章：MOS 场效应晶体管（FET） 3.1 MOS 结构与电容： 介绍 MOS 结构的基本组成：金属栅极、绝缘氧化层（通常是二氧化硅）和半导体衬底。利用 MOS 电容的理论，详细讲解在不同栅极电压下，半导体表面电荷的变化，如累积、耗尽和反型。 3.2 NMOS 晶体管的工作原理： 3.2.1 结构与沟道形成： 详细介绍 NMOS 晶体管的源极、漏极、栅极和衬底。解释当栅极电压超过阈值电压（Vt）时，如何在氧化层和衬底之间形成导电沟道（N 型反型层）。 3.2.2 亚阈值区、线性区和饱和区： 深入分析 NMOS 晶体管在不同栅漏电压（Vgs）和漏源电压（Vds）下的 I-V 特性曲线。详细解释亚阈值区（弱反型）、线性区（三极管区）和饱和区（恒流区）的工作状态，以及各区域的电流模型。 3.2.3 阈值电压与跨导： 讨论影响阈值电压的因素，如氧化层厚度、衬底掺杂浓度、栅氧化层电荷等。定义跨导（gm）并解释其作为衡量栅电压对漏极电流控制能力的指标。 3.3 PMOS 晶体管的工作原理： 阐述 PMOS 晶体管的结构及其与 NMOS 相反的工作原理，包括 P 型沟道的形成和载流子（空穴）的运动。 3.4 CMOS 器件的优势： 简要介绍 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术的特点，包括其低功耗、高集成度和良好的抗干扰能力，并暗示其在数字电路设计中的重要性。 第四章：集成电路制造工艺详解 4.1 硅晶圆制备： 介绍单晶硅的生长（如直拉法），硅棒的切片、抛光，以及晶圆的清洗和表面处理。 4.2 氧化工艺： 详细讲解高温氧化（干氧化和湿氧化）原理，以及氧化层在器件绝缘和隔离中的作用。讨论氧化层的质量控制。 4.3 光刻技术： 4.3.1 光刻胶： 介绍光刻胶的种类（正性光刻胶和负性光刻胶），以及它们在化学性质和曝光后的变化。 4.3.2 曝光与显影： 阐述光掩模版的作用，以及紫外光（UV）或深紫外光（DUV）通过掩模版在光刻胶上形成图案的过程。讲解显影液如何去除曝光或未曝光的光刻胶，形成所需的图形。 4.3.3 接触式、接近式和投影式光刻： 介绍不同光刻方法的特点和分辨率限制。 4.4 刻蚀工艺： 4.4.1 干法刻蚀： 深入分析等离子体刻蚀（RIE）的原理，包括物理刻蚀和化学刻蚀的结合，以及其高选择性和各向异性。 4.4.2 湿法刻蚀： 介绍使用化学溶液进行刻蚀的原理，分析其各向同性特点及其应用场景。 4.5 薄膜沉积： 4.5.1 化学气相沉积（CVD）： 详细介绍在高温下，通过化学反应在基底上沉积薄膜的原理。讲解不同类型的 CVD，如 LPCVD、PECVD，以及它们在沉积多晶硅、氮化硅、二氧化硅等薄膜中的应用。 4.5.2 物理气相沉积（PVD）： 介绍通过物理方法（如溅射、蒸发）在基底上沉积薄膜的原理，常用于金属互连层的形成。 4.6 掺杂工艺（离子注入）： 详细介绍离子注入的原理，包括离子源、加速器、偏转和注入过程。解释剂量、能量和角度等参数如何控制掺杂深度和浓度。 4.7 金属化工艺： 介绍用于形成互连线的金属（如铝、铜）沉积和图案化过程，以及阻挡层和界面层的作用。 4.8 封装与测试： 简要介绍芯片制造完成后的封装过程（如键合、塑封）以及最终的电学测试。 学习目标： 通过学习本书，读者将能够： 深刻理解半导体材料的物理特性及其对器件性能的影响。 掌握 PN 结的形成原理、偏置特性以及在二极管中的应用。 深入理解 MOS 场效应晶体管的工作机制、关键参数及其电学模型。 全面了解集成电路制造的复杂流程，包括硅晶圆制备、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入和金属化等核心工艺。 建立起从微观物理原理到宏观制造流程的完整认知，为后续的集成电路设计奠定坚实的基础。 本书适合电子工程、微电子学、材料科学等相关专业的学生、科研人员以及对集成电路制造工艺感兴趣的工程师阅读。

评分☆☆☆☆☆

自从我开始阅读《CMOS数字集成电路设计》这本书后，我对数字逻辑设计和验证的理解，可谓是达到了一个新的高度。作者在书中对状态机设计、流水线架构以及异步电路设计的阐述，都极其精辟。他通过大量的实例，清晰地展示了如何将抽象的逻辑功能转化为具体的硬件电路，并且如何有效地进行验证。我特别欣赏他对异步电路的讲解，这部分内容在许多同类书籍中都很少提及，而作者却将其作为重要的组成部分进行阐述，并且给出了详细的设计和分析方法。他解释了异步电路在功耗和速度方面的潜在优势，同时也指出了其在设计和验证方面的挑战。书中对静态时序分析（STA）的深入讨论，也让我受益匪浅。作者不仅介绍了STA的基本概念，还详细讲解了各种约束的设置方法，以及如何解读STA报告中的关键信息，这对于确保设计的时序收敛至关重要。通过这本书的学习，我感觉自己已经能够更加自信地面对复杂的数字集成电路设计项目，并且能够更有效地进行性能优化和错误排查。

评分☆☆☆☆☆

我不得不说，在阅读《CMOS数字集成电路设计》的过程中，我体验到了一种前所未有的学习乐趣。这本书的叙事方式，与其说是一本技术手册，不如说是一部关于集成电路设计演进的编年史。作者在介绍每一个新概念时，都会首先追溯其历史渊源，解释为何会出现这样的技术，以及它在整个行业发展中扮演的角色。这种宏观的视角，让我不再仅仅将CMOS电路视为孤立的技术点，而是能将其融入到整个半导体产业的宏大叙事中去理解。比如，在介绍亚稳态和时钟同步问题时，作者详细阐述了早期设计中出现的各种由于时序失控而导致的功能错误，以及后来为了解决这些问题而发展出的各种同步机制和时钟树综合技术。这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，极大地激发了我对集成电路设计领域的好奇心和探索欲。而且，书中对各种设计工具和验证方法的介绍，也极具前瞻性，让我对现代芯片设计流程有了更清晰的认识。即便是一些相对复杂的验证技术，如形式验证和静态时序分析（STA），作者也通过形象的比喻和实例，将它们“软化”处理，使其不再是高不可攀的理论，而是触手可及的实用工具。我感觉自己不只是在学习知识，更是在构建一个完整的集成电路设计知识体系。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的给我的设计思路带来了质的飞跃。《CMOS数字集成电路设计》在讲解CMOS逻辑门和时序电路时，所采用的分析方法，是我之前从未接触过的。作者并没有直接给出最优设计方案，而是引导读者一步步地分析不同设计选择的优劣，包括在功耗、延时、面积和可靠性等方面的权衡。例如，在讨论触发器设计时，作者详细比较了不同类型触发器（如主从触发器、透明锁存器）在时钟信号切换时的行为特性，并深入分析了它们对时序裕量和功耗的影响。这种“引导式”的学习体验，让我能够主动思考，而不是被动接受。书中关于静��时序分析（STA）的讲解，尤为令我印象深刻。作者将STA视为“数字电路的健康体检”，通过对各种时序路径的分析，揭示潜在的设计缺陷，并提供了相应的优化建议。我尤其喜欢书中关于时钟信号完整性、时钟偏斜和抖动的深入探讨，这些细节对于构建高性能、高可靠性的数字系统至关重要。通过对这些内容的学习，我开始能够更准确地预测设计性能，并更有效地进行设计优化，显著提升了我的设计效率和质量。

评分☆☆☆☆☆

我得承认，《CMOS数字集成电路设计》在深入剖析CMOS工艺和器件特性方面，给我留下了极其深刻的印象。作者在书中并非仅仅停留在电路层面的讲解，而是将我们带入了更底层的物理世界。他对MOSFET的电流-电压特性、亚阈值导电、栅极漏电等物理现象的解释，都异常透彻。尤其是在讨论器件模型时，作者并没有照搬教科书上的经典模型，而是结合了现代工艺中存在的各种非理想因素，比如沟道长度调制、体效应、温度效应等，并且详细说明了这些因素是如何影响电路性能的。我记得他在讲解CMOS反相器延迟时，不仅分析了理想的电容负载效应，还详细讨论了器件本身的输出电阻、阈值电压以及不同工艺参数对延迟的影响。这种深入到物理层面的分析，让我对CMOS电路的工作原理有了更深刻的理解，也让我能够更好地预测和解决设计中的各种问题。这本书的价值在于，它不仅教授了设计方法，更教会了我们“为什么”这样做，让我能够从根本上掌握CMOS数字集成电路设计。

评分☆☆☆☆☆

这本《CMOS数字集成电路设计》的作者，真是将一本原本可能枯燥晦涩的技术书籍，变成了引人入胜的学术探索之旅。初次翻开，我就被书中清晰的逻辑脉络和层层递进的讲解方式所折服。作者在介绍基础概念时，并没有停留在简单的定义罗列，而是巧妙地引入了一些在实际设计中经常遇到的问题和挑战，使得读者在学习理论知识的同时，能够立刻感受到其工程实践的价值。例如，在讲解CMOS器件的阈值电压和亚阈值导电性时，作者并没有止步于理想模型，而是详细阐述了短沟道效应、量子效应等在实际工艺中会带来的偏差，并给出了相应的处理方法，这对于我这样想要深入理解芯片工作原理的读者来说，无疑是宝贵的财富。更让我惊喜的是，书中对功耗优化和速度提升的权衡分析，以及如何在不同设计场景下进行取舍的讨论，都极其到位。从门级电路到寄存器传输级（RTL）的设计，再到时序分析和低功耗设计策略，每一个环节都力求做到严谨且易于理解。其间穿插的大量实例和图示，更是将抽象的概念具象化，仿佛作者就在我身边，手把手地指导我进行设计。这本书的价值，远不止于知识的传授，更在于它培养了一种解决实际问题的思维方式，让我能够站在更高的角度审视数字集成电路的设计。