大规模集成电路设计 陈贵灿,张瑞智,程军 9787040166026 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈贵灿，张瑞智，程军 著

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• 集成电路设计
• 大规模集成电路
• 数字电路
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• 陈贵灿
• 张瑞智
• 程军
• 电子工程
• 计算机科学

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出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040166026

商品编码：29577364782

包装：平装

出版时间：2005-07-01

基本信息

书名：大规模集成电路设计

定价：45.20元

作者：陈贵灿,张瑞智,程军

出版社：高等教育出版社

出版日期：2005-07-01

ISBN：9787040166026

字数：900000

页码：575

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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本书根据SOC设计的基础知识和电路技术的新发展，系统地介绍模拟集成电路与数字集成电路中各种功能模块的原理、分析与设计。内容包括：MOS晶体管模型；CMOS工艺与版图；各种模拟功能块和运算放大器；开关电容电路与开关电容滤波器；模/数与数/模转换器；集成锁相环；静态与动态CMOS数字电路的基本单元；加法器、乘法器和存储器等数字电路；可编程器件FPGA/CPLD与SOPC。
　　本书取材新颖，由浅入深、循序渐进，侧重原理分析工程设计，是现代模拟与数字集成电路设计的教材或参考书。可供与集成电路领域有关的各电类专业高年级本科生和研究生使用，也可供从事这一领域的工程技术人员自学和参考。

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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《半导体器件物理与工艺》 第一章 半导体材料基础 本章将深入探讨构成现代电子工业基石的半导体材料。我们将从原子结构入手，详细阐述硅（Si）作为最主流半导体材料的独特优势，包括其在地壳中的丰度、成熟的制备工艺以及优异的热学和电学特性。我们将深入剖析硅的晶体结构，特别是金刚石立方结构，以及其与电子性能的关联。 接着，本章将引出其他重要的半导体材料，例如锗（Ge），阐述其早期在晶体管中的应用及其局限性，并与硅进行性能对比。随后，我们将重点介绍化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及氮化镓（GaN）。我们将详细讲解这些材料的能带结构，包括直接带隙和间接带隙的区别，以及它们如何决定了材料的光电特性。例如，GaAs因其高电子迁移率，在高速电子器件中展现出巨大潜力，而GaN则因其宽禁带特性，成为高功率、高温和高频电子器件以及发光器件（LED、激光器）的关键材料。 此外，本章还将介绍半导体材料的掺杂理论。我们将区分本征半导体和杂质半导体，并详细解释N型掺杂（如添加磷、砷）和P型掺杂（如添加硼、铝）的原理，包括施主能级和受主能级，以及它们如何改变半导体的导电类型和载流子浓度。载流子（电子和空穴）的产生、复合机制，以及它们的漂移和扩散运动，也将是本章的重点内容。最后，本章还将简要介绍半导体材料的缺陷，如空位、间隙原子和位错，以及它们对器件性能的影响。 第二章 PN结理论与二极管 PN结是几乎所有半导体器件的核心，本章将对其进行全面而深入的分析。我们将从P型和N型半导体接触开始，详细阐述PN结的形成过程，包括扩散和迁移机制如何导致耗尽层的形成。耗尽层中内建电场的产生及其对载流子运动的阻碍作用将是重点讲解内容。 本章将基于载流子的热平衡和非平衡状态，推导出PN结在不同偏压下的伏安特性曲线。我们将详细分析正向偏压下载流子的注入和复合，以及电流如何随电压指数级增长。反向偏压下，耗尽层会加宽，漏电流的产生机制，包括少数载流子扩散和产生-复合，也将被深入探讨。雪崩击穿和齐纳击穿等反向击穿现象的物理机理也将进行详细的阐释。 基于PN结的原理，本章将介绍各种类型的二极管。我们将从最基本的整流二极管出发，讨论其在交流电整流电路中的应用。接着，我们将深入研究稳压二极管（Zener Diode），阐述其稳压原理，并介绍其在电源管理电路中的重要作用。发光二极管（LED）的pn结发光原理，包括电子-空穴复合时能量的释放形式（光子），以及不同材料LED的发光颜色和效率，都将是本章的重点。光电二极管（Photodiode）的感光原理，即光生载流子在pn结内建电场作用下的分离和收集，以及其在光信号检测中的应用，也将被详细介绍。肖特基二极管（Schottky Diode）作为金属-半导体接触，因其低正向压降和快速开关速度，在高速电路和电源电路中的优势也将被充分论述。 第三章 双极型晶体管（BJT） 本章将聚焦于双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT），一种经典的电流控制型半导体器件。我们将从BJT的结构入手，区分NPN型和PNP型晶体管，详细解析其由两个PN结组成的内部结构，包括发射区、基区和集电区。 BJT的工作原理将是本章的核心。我们将深入分析载流子的注入、扩散和收集过程。在活性区，发射结正偏，集电结反偏，少量电子（NPN型）或空穴（PNP型）从发射区注入基区，在基区扩散，其中大部分会到达集电区被收集，从而形成集电极电流。我们将详细解释电流放大作用的来源，即基极电流控制集电极电流的机制，并推导出电流增益系数β（共发射极电流增益）和α（共基极电流增益）的定义及其关系。 本章还将详细讨论BJT的各种工作区域：截止区、放大区、饱和区和反向放大区。我们将分析每个区域下BJT的载流子行为和电特性，并给出相应的等效电路模型。电阻模型和混合-π模型等BJT的小信号等效电路模型也将被介绍，它们是分析放大电路的重要工具。 此外，本章还将介绍BJT的输出特性曲线和输入特性曲线，并分析基极电流、集电极电压等参数对集电极电流的影响。BJT的结电容效应及其对晶体管高频响应的影响也将被探讨。最后，我们将简要介绍BJT的开关特性，以及其在数字电路中的应用。 第四章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET） MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是现代集成电路中应用最广泛的器件之一，本章将对其进行深入解析。我们将从MOSFET的结构入手，区分N沟道MOSFET和P沟道MOSFET，并重点介绍其由栅极（Gate）、源极（Source）、漏极（Drain）和衬底（Substrate）组成的结构。我们将详细阐述栅氧化层（通常为二氧化硅）的重要作用，它实现了栅极与半导体衬底之间的电隔离。 本章的核心将是MOSFET的工作原理，即电场效应控制沟道导电。我们将详细分析MOSFET在不同栅源电压（Vgs）下的电导率变化。在阈值电压（Vt）以下，沟道不存在，器件处于截止状态。当Vgs超过Vt时，栅极电场会在衬底表面感应出反型层（沟道），从而连接源极和漏极，器件开始导通。我们将详细分析载流子在沟道中的运动，以及漏源电压（Vds）对其电流（Ids）的影响。 本章将详细讨论MOSFET的两种工作模式：线性区（或称欧姆区）和饱和区。在线性区，Ids近似与Vds成线性关系，器件表现出电阻特性。在饱和区，Ids基本不受Vds影响，而主要由Vgs决定，此时MOSFET可以作为放大器使用。阈值电压的产生机制，以及各种工艺参数（如氧化层厚度、衬底掺杂浓度）对其的影响，将进行详细的讲解。 我们将介绍MOSFET的各种类型，包括增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。增强型MOSFET是目前最主流的类型。耗尽型MOSFET则可以通过改变栅极电压来控制沟道的导通与否。此外，本章还将简要介绍NMOS和PMOS器件，以及它们在CMOS（Complementary MOS）电路设计中的互补应用。MOSFET的结电容效应，特别是栅极电容、结电容等，以及它们对高频性能的影响，也将被探讨。最后，本章还将简要介绍MOSFET的开关特性，以及其在数字逻辑门和存储单元中的广泛应用。 第五章 集成电路制造工艺基础 本章将带领读者走进微电子制造的神秘世界，深入了解集成电路是如何在硅片上“生长”出来的。我们将从硅片制备开始，介绍单晶硅的生长方法，如柴可拉斯基法（Czochralski method），以及硅片的外延生长技术，它能够形成高质量的单晶硅薄膜。 接着，我们将详细介绍光刻（Photolithography）技术，这是集成电路制造中最关键的步骤之一。我们将阐述光刻的原理，包括光刻胶的涂覆、曝光（通过掩模版），以及显影过程，这些步骤决定了电路图案的精确转移。不同波长的光源，如紫外光（UV）、深紫外光（DUV）和极紫外光（EUV），以及它们在提高分辨率方面的作用，都将进行讨论。 离子注入（Ion Implantation）和扩散（Diffusion）是实现半导体掺杂的关键工艺。我们将详细解释这两种技术的原理、优缺点以及它们在精确控制掺杂浓度和分布方面的作用。例如，离子注入可以实现更精确的掺杂，而扩散则是一种高温过程。 金属化（Metallization）是连接器件和形成电路导线的必要步骤。本章将介绍常用的金属材料，如铝、铜和钨，以及它们的沉积技术，如物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。金属互连的形成，包括通孔（Via）的制作和金属层的图案化，也将是重点内容。 此外，本章还将介绍其他重要的制造工艺，如氧化（Oxidation）——二氧化硅等绝缘层的形成，刻蚀（Etching）——去除不需要的材料以形成特定图案（干法刻蚀和湿法刻蚀），以及键合（Bonding）和封装（Packaging）——将制造好的芯片与外界连接并保护起来。本章将强调每一步工艺的精度要求和对最终器件性能的影响。 第六章 模拟集成电路基础 本章将聚焦于模拟集成电路的设计与分析。我们将从基本的模拟电路元件入手，包括电阻、电容和电感在集成电路中的实现方式及其局限性。接着，我们将重点分析模拟集成电路的核心构建模块，如差分放大器（Differential Amplifier）。我们将深入讲解差分放大器的基本结构、共模抑制比（CMRR）以及其在抑制噪声方面的优势。 共源放大器（Common-Source Amplifier）、共漏放大器（Common-Drain Amplifier，也称源极跟随器）和共栅放大器（Common-Gate Amplifier）是单级放大器的三种基本形式。本章将详细分析它们各自的电压增益、输入阻抗、输出阻抗和频率响应特性，并探讨它们在不同应用场景下的选择。 多级放大器（Multi-stage Amplifier）的级联技术，如何通过连接多个单级放大器来获得更高的整体增益和更好的性能，将是本章的重要内容。我们将介绍阻容耦合、直接耦合和变压器耦合等耦合方式。 运算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）是模拟集成电路中最通用和功能最强大的器件之一。我们将深入分析运算放大器的内部结构，包括输入级（差分放大器）、中间级（增益级）和输出级（缓冲器）。理想运算放大器的特性，如无穷大的开环增益、无穷大的输入阻抗和零输出阻抗，将作为分析的基础。我们将详细推导反相放大器、同相放大器、加法器、减法器、积分器和微分器等基本运算放大器电路的传递函数，并探讨其在信号处理、滤波和控制系统中的应用。 本章还将触及滤波器（Filters）的设计，包括低通、高通、带通和带阻滤波器，以及它们在频率选择性信号处理中的作用。补偿技术（Compensation Techniques）用于稳定运算放大器，避免其在高频下的振荡，也将被介绍。 第七章 数字集成电路基础 本章将全面介绍数字集成电路的原理和设计方法。我们将从二进制数系统和逻辑运算入手，回顾逻辑门（AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR）的基本概念和真值表。 本章的核心内容将是组合逻辑电路（Combinational Logic Circuits）的设计。我们将学习如何使用真值表、卡诺图（Karnaugh Map）以及布尔代数简化布尔表达式，从而设计出最优化的逻辑电路。各种常用的组合逻辑模块，如编码器（Encoder）、译码器（Decoder）、多路选择器（Multiplexer, MUX）和数据分配器（Demultiplexer, DEMUX）的设计与应用将得到详细讲解。 时序逻辑电路（Sequential Logic Circuits）是能够存储信息并具有记忆功能的电路。我们将重点分析触发器（Flip-Flop）的基本类型，包括SR触发器、JK触发器、D触发器和T触发器，以及它们的工作原理和状态转换。寄存器（Register）作为多个触发器的组合，用于存储一组数据，也将被详细介绍。计数器（Counter）是另一种重要的时序逻辑电路，我们将分析同步计数器和异步计数器的设计，以及它们的进制（二进制、十进制等）和功能。 有限状态机（Finite State Machine, FSM）作为描述和设计时序逻辑电路的强大工具，也将被引入。我们将区分Mealy型和Moore型有限状态机，并学习如何根据状态转移图设计相应的逻辑电路。 本章还将介绍数字集成电路设计中常用的EDA（Electronic Design Automation）工具，以及硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL，它们是描述和验证数字电路的标准语言。最后，我们将简要回顾数字集成电路的典型应用，如微处理器、存储器和数字信号处理器。 第八章 数模混合集成电路基础 数模混合集成电路（Mixed-Signal Integrated Circuits, MSICs）是集成电路领域的一个重要分支，它们集成了模拟和数字电路的功能，能够实现更复杂的信号处理和系统集成。本章将深入探讨数模混合集成电路的设计挑战和关键技术。 模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）是数模混合电路中的核心组件，它将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。我们将介绍几种主流的ADC架构，包括逐次逼近型ADC（SAR ADC）、双积分型ADC、流水线型ADC和Σ-Δ（Sigma-Delta）ADC。每种架构的原理、优缺点、分辨率、采样率和功耗等关键性能参数都将进行详细分析。 数模转换器（Digital-to-Analog Converter, DAC）则是ADC的逆向过程，它将数字信号转换为模拟信号。本章将介绍DAC的几种基本结构，如电阻梯型DAC、权电流型DAC和R-2R DAC。我们将分析它们的转换精度、建立时间、单调性和功耗等指标。 除了ADC和DAC，本章还将介绍数模混合电路中的其他重要模块。锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）是一种用于产生稳定时钟信号和进行频率合成的关键电路，我们将分析其反馈机制和应用。电压基准源（Voltage Reference）是提供稳定参考电压的电路，其精度直接影响ADC和DAC的性能。振荡器（Oscillators）用于产生时钟信号，也将被提及。 本章将强调数模混合集成电路设计中的特殊挑战，例如模拟电路和数字电路之间的相互干扰（串扰），以及如何通过布局布线和隔离技术来减小这些影响。电源完整性（Power Integrity）和信号完整性（Signal Integrity）在数模混合电路设计中的重要性也将被突出。最后，本章将展望数模混合集成电路在通信、消费电子、汽车电子和工业控制等领域的广阔应用前景。

评分☆☆☆☆☆

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