BF:CMOS及其他先导技术特大规模集成电路设计 [美]刘金(Tsu-Jae King L pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 刘金Tsu-Jae King Liu 科林· 著

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• 特大规模集成电路
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• 先导技术

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111593911

商品编码：29335225597

包装：平装-胶订

出版时间：2018-04-01

基本信息

书名:CMOS及其他先导技术特大规模集成电路设计

定价：99.00元

售价：80.2元

作者:刘金(Tsu-Jae King Liu) 科林·库恩(Ke

出版社：机械工业出版社

出版日期：2018-04-01

ISBN：9787111593911

字数：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

编辑推荐

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内容提要

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本书概述现代CMOS晶体管的技术发展，提出新的设计方法来改善晶体管性能存在的局限性。本书共四部分。一部分回顾了芯片设计的注意事项并且基准化了许多替代性的开关器件，重点论述了具有更陡峭亚阈值摆幅的器件。第二部分涵盖了利用量子力学隧道效应作为开关原理来实现更陡峭亚阈值摆幅的各种器件设计。第三部分涵盖了利用替代方法实现更高效开关性能的器件。第四部分涵盖了利用磁效应或电子自旋携带信息的器件。本书适合作为电子信息类专业与工程等专业的教材，也可作为相关专业人士的参考书。

目录

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Contents目　录
译者序
前言
部分　CMOS电路和工艺限制
第1章　CMOS数字电路的能效限制2
　1.1　概述2
　1.2　数字电路中的能量性能折中3
　1.3　能效设计技术6
　1.4　能量限制和总结8
　参考文献9
第2章　先导工艺晶体管等比例缩放：特大规模领域可替代器件结构10
　2.1　引言10
　2.2　可替代器件结构10
　2.3　总结22
　参考文献23
第3章　基准化特大规模领域可替代器件结构30
　3.1　引言30
　3.2　可替代器件等比例缩放潜力30
　3.3　可比器件的缩放潜力33
　3.4　评价指标35
　3.5　基准测试结果37
　3.6　总结38
　参考文献39
第4章　带负电容的扩展CMOS44
　4.1　引言44
　4.2　直观展示45
　4.3　理论体系47
　4.4　实验工作51
　4.5　负电容晶体管54
　4.6　总结56
　致谢57
　参考文献57
第二部分　隧道器件
第5章　设计低压高电流隧穿晶体管62
　5.1　引言62
　5.2　隧穿势垒厚度调制陡峭度63
　5.3　能量滤波切换机制65
　5.4　测量电子输运带边陡度66
　5.5　空间非均匀性校正68
　5.6　pn结维度68
　5.7　建立一个完整的隧穿场效应晶体管80
　5.8　栅极效率大化84
　5.9　避免其他的设计问题88
　5.10　总结88
　致谢89
　参考文献89
第6章　隧道晶体管92
　6.1　引言92
　6.2　隧道晶体管概述93
　6.3　材料与掺杂的折中95
　6.4　几何尺寸因素和栅极静电99
　6.5　非理想性103
　6.6　实验结果106
　6.7　总结108
　致谢108
　参考文献108
第7章　石墨烯和二维晶体隧道晶体管115
　7.1　什么是低功耗开关115
　7.2　二维晶体材料和器件的概述116
　7.3　碳纳米管和石墨烯纳米带116
　7.4　原子级薄体晶体管124
　7.5　层间隧穿晶体管130
　7.6　内部电荷与电压增益陡峭器件137
　7.7　总结137
　参考文献137
第8章　双层伪自旋场效应晶体管…140
　8.1　引言140
　8.2　概述141
　8.3　基础物理145
　8.4　BiSFET设计和集约模型152
　8.5　BiSFET逻辑电路和仿真结果157
　8.6　工艺161
　8.7　总结162
　致谢163
　参考文献163
第三部分　可替代场效应器件
第9章　关于相关氧化物中金属绝缘体转变与相位突变的计算与学习166
　9.1　引言166
　9.2　二氧化钒中的金属绝缘体转变168
　9.3　相变场效应器件172
　9.4　相变两端器件178
　9.5　神经电路181
　9.6　总结182
　参考文献182
第10章　压电晶体管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动力学193
　10.5　材料与器件制造200
　10.6　性能评价203
　10.7　讨论205
　致谢206
　参考文献206
第11章　机械开关209
　11.1　引言209
　11.2　继电器结构和操作210
　11.3　继电器工艺技术214
　11.4　数字逻辑用继电器设计优化220
　11.5　继电器组合逻辑电路227
　11.6　继电器等比例缩放展望232
　参考文献234
第四部分　自旋器件
第12章　纳米磁逻辑：从磁有序到磁计算240
　12.1　引言与动机240
　12.2　作为二进制开关单元的单域纳米磁体242
　12.3　耦合纳米磁体特性244
　12.4　工程耦合：逻辑门与级联门246
　12.5　磁有序中的错误248
　12.6　控制磁有序：同步纳米磁体250
　12.7　NML计算系统252
　12.8　垂直磁介质中的纳米磁体逻辑255
　12.9　两个关于电路的案例研究259
　12.10　NML电路建模260
　12.11　展望：NML电路的未来261
　致谢261
　参考文献262
第13章　自旋转矩多数逻辑门逻辑267
　13.1　引言267
　13.2　面内磁化的SMG268
　13.3　仿真模型270
　13.4　面内磁化开关的模式272
　13.5　垂直磁化SMG276
　13.6　垂直磁化开关模式278
　13.7　总结283
　参考文献284
第14章　自旋波相位逻辑286
　14.1　引言286
　14.2　自旋波的计算287
　14.3　实验验证的自旋波元件及器件287
　14.4　相位逻辑器件290
　14.5　自旋波逻辑电路与结构292
　14.6　与CMOS的比较297
　14.7　总结299
　参考文献300
第五部分　关于互连的思考
第15章　互连304
　15.1　引言304
　15.2　互连问题305
　15.3　新兴的电荷器件技术的互连选项307
　15.4　自旋电路中的互连思考312
　15.5　自旋弛豫机制315
　15.6　自旋注入与输运效率318
　15.7　电气互连与半导体自旋电子互连的比较320
　15.8　总结与展望324
　参考文献324

作者介绍

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文摘

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序言

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《集成电路设计新纪元：从CMOS到前沿工艺》 本书旨在深入剖析当前集成电路设计领域的核心技术与未来发展趋势，重点聚焦于超大规模集成电路（VLSI）设计中的关键挑战与创新解决方案。我们将从最基础的CMOS（互补金属氧化物半导体）技术讲起，这是现代数字集成电路的基石，探讨其原理、特性以及在不同应用场景下的优化策略。随后，我们将视野扩展至更前沿的先导技术，揭示它们如何推动集成电路性能的飞跃，并为下一代电子设备奠定基础。 第一篇：CMOS技术基石与设计范式 第一章 CMOS基本原理与工艺 本章将详细阐述CMOS技术的物理基础。我们将从MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的基本结构出发，深入理解其工作原理，包括沟道形成、开关特性、阈值电压、跨导等关键参数。随后，我们将探讨P型MOS（PMOS）和N型MOS（NMOS）晶体管的协同工作机制，以及它们如何构成逻辑门，实现数字信号的逻辑运算。 在工艺方面，本章将介绍CMOS制造过程中几个至关重要的步骤，例如光刻（Photolithography）、刻蚀（Etching）、薄膜沉积（Thin-film Deposition）和离子注入（Ion Implantation）。我们将解释这些工艺如何在硅晶圆上精确地构建出微小的晶体管和互连线，并讨论不同工艺节点的演进如何带来更小的尺寸、更快的速度和更低的功耗。例如，我们将探讨短沟道效应（Short Channel Effects）、亚阈值漏电（Subthreshold Leakage）以及如何通过工艺改进来克服这些挑战。 第二章 CMOS逻辑电路设计 基于CMOS技术，本章将深入探讨数字逻辑电路的设计。我们将从最基本的门电路（AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR）开始，详细分析它们的CMOS实现方式，并探讨其性能指标，如传播延迟（Propagation Delay）、功耗（Power Consumption）和噪声容限（Noise Margin）。 接着，我们将转向组合逻辑（Combinational Logic）和时序逻辑（Sequential Logic）的设计。对于组合逻辑，我们将介绍逻辑化简（Logic Minimization）技术，如卡诺图（Karnaugh Maps）和Quine-McCluskey算法，以及如何利用硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL，进行高效的设计和验证。对于时序逻辑，我们将重点讲解触发器（Flip-flops）和寄存器（Registers）的工作原理，以及如何构建状态机（State Machines）来实现复杂的时序控制。 此外，本章还将涉及CMOS电路的功耗分析和优化。我们将区分动态功耗（Dynamic Power）和静态功耗（Static Power），并介绍降低功耗的技术，例如时钟门控（Clock Gating）、电压频率调整（DVFS）以及低功耗设计方法。 第三章 CMOS电路的布局与布线 集成电路设计的性能和可靠性很大程度上取决于其物理实现，即布局（Layout）和布线（Routing）。本章将详细介绍CMOS电路的版图设计规则（Design Rules），这些规则确保了电路在制造过程中的可实现性。我们将讲解如何根据逻辑功能绘制晶体管的符号化表示，以及如何将其转化为实际的几何图形，包括多晶硅（Polysilicon）、金属层（Metal Layers）和通孔（Vias）。 在布局方面，我们将讨论标准单元（Standard Cells）的设计与使用，以及如何高效地安排这些单元以优化面积和性能。对于更复杂的模块，我们将介绍模块化设计（Modular Design）和层次化设计（Hierarchical Design）的理念。 布线是将不同组件连接起来的关键步骤。本章将介绍单层和多层布线技术，以及如何处理线延迟（Wire Delay）、串扰（Crosstalk）等问题。我们还将探讨自动布局布线（Automated Place and Route）工具的工作流程，以及设计者如何通过指导和约束来优化布线结果。 第二篇：先导技术与前沿挑战 第四章 晶体管结构演进：FinFET及其他 随着CMOS工艺节点不断缩小，传统的平面CMOS结构面临严重的短沟道效应和漏电问题。本章将聚焦于新一代晶体管结构，特别是FinFET（鳍式场效应晶体管）。我们将详细解释FinFET的三维栅极结构如何实现更优异的栅控能力，从而有效抑制漏电，提升性能。 我们将深入分析FinFET的工作原理，对比其与传统Planar MOSFET在载流子传输、亚阈值摆幅（Subthreshold Swing）和电流驱动能力等方面的优势。同时，本章还将简要介绍其他前沿的晶体管结构，例如GAAFET（Gate-All-Around FET）等，展望它们在未来集成电路中的潜在应用。 第五章 先进互连技术与三维集成 当晶体管尺寸不断缩小，互连线的延迟和功耗成为限制整体性能的关键瓶颈。本章将探讨先进的互连技术。我们将分析不同金属材料（如铜、钴）及其阻挡层（Barrier Layer）的作用，以及新型介电材料（Low-k Dielectrics）如何降低线间电容。 此外，本章还将重点介绍三维集成（3D Integration）的概念和技术。三维集成通过将多个芯片堆叠或垂直互连，极大地缩短了芯片间的通信距离，从而显著提高性能和集成度。我们将讨论TSV（Through-Silicon Via）等关键技术，以及三维集成在异构集成（Heterogeneous Integration）方面的优势，例如将处理器、内存和传感器等不同功能的芯片紧密结合。 第六章 低功耗与高性能设计的新思路 在移动设备、物联网和高性能计算等领域，对低功耗和高性能的需求日益迫切。本章将深入探讨实现这一目标的多种新思路。除了前面提到的CMOS功耗优化技术，我们还将介绍更先进的功耗管理策略，如动态电压频率调整（DVFS）的优化应用、动态功耗关断（Power Gating）的精细化控制等。 在高性能方面，本章将讨论非冯·诺依曼架构（Non-Von Neumann Architectures），如存内计算（In-Memory Computing）和类脑计算（Neuromorphic Computing），它们有望突破传统计算瓶颈。同时，我们将探讨新兴的计算范式，例如近似计算（Approximate Computing），它通过牺牲一定的精度来换取显著的性能和能效提升，在信号处理、机器学习等应用中具有广阔前景。 第七章 器件级与系统级验证 集成电路设计的复杂性要求强大的验证手段来确保设计的正确性和可靠性。本章将从器件级（Device Level）和系统级（System Level）两个层面介绍验证技术。 在器件级，我们将讨论如何利用TCAD（Technology Computer-Aided Design）工具进行器件仿真，预测其电气性能和可靠性。我们将介绍SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）等电路仿真工具，以及如何利用其进行功能和性能验证。 在系统级，本章将重点介绍形式验证（Formal Verification）和动态仿真（Dynamic Simulation）的应用。我们将探讨如何利用形式验证来数学地证明设计的某些属性，以及如何通过大量的测试向量和场景进行动态仿真，覆盖各种操作模式和异常情况。此外，我们将介绍片上测量（On-chip Measurement）和硬件加速验证（Hardware Acceleration for Verification）等技术，以应对日益增长的设计复杂性。 第八章 可靠性与物理设计挑战 集成电路在长期运行过程中可能面临各种可靠性问题，如磨损（Wear-out）、老化（Aging）和瞬态故障（Transient Faults）。本章将分析这些可靠性问题的成因，例如电迁移（Electromigration）、热陷（Thermal Runaway）、栅氧化击穿（Gate Oxide Breakdown）等。 同时，本章也将深入探讨物理设计（Physical Design）面临的挑战，尤其是在先进工艺节点下。这包括设计规则检查（DRC - Design Rule Checking）、版图寄生参数提取（Parasitic Extraction）、功耗完整性（Power Integrity）和信号完整性（Signal Integrity）分析。我们将介绍如何利用专门的EDA（Electronic Design Automation）工具来解决这些问题，并确保设计的物理实现满足性能、功耗和可靠性的要求。 第九章 未来展望：超越摩尔定律的创新 在摩尔定律（Moore's Law）逐渐放缓的背景下，集成电路设计正迎来新的创新浪潮。本章将展望未来的发展方向。我们将探讨新的材料科学进展，例如二维材料（2D Materials）如石墨烯（Graphene）和过渡金属二硫化物（TMDs）在晶体管和互连中的应用潜力。 此外，本章还将讨论量子计算（Quantum Computing）和神经形态计算（Neuromorphic Computing）等颠覆性技术对未来集成电路设计的影响。我们将探讨如何设计能够支持这些新型计算范式的硬件架构，以及它们将如何改变我们解决复杂问题的能力。 总结 《集成电路设计新纪元：从CMOS到前沿工艺》旨在为读者提供一个全面而深入的集成电路设计知识体系。从CMOS技术的坚实基础，到FinFET等先导技术的革命性突破，再到面向未来的创新方向，本书力求展现集成电路设计领域不断演进的脉络与活力。通过对核心原理、设计方法、工艺技术和前沿挑战的详细阐述，本书希望能激发读者对集成电路设计这一关键领域的兴趣，并为他们在未来的学习与实践中提供有价值的参考。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计真是让人眼前一亮，那种深邃的蓝色调，配合上简洁有力的银色字体，立刻就给人一种专业、前沿的感觉。我拿起它的时候，首先注意到的是它厚实的质感，纸张的克重和触感都透着一股“硬核”的气息，这让我对书中内容的深度充满了期待。从装帧的细致程度来看，出版社显然对这本书非常重视，这在国内的专业技术书籍中并不多见，往往很多硬核的教材或专著在包装上会比较随意，但这本书明显在细节上做了功课，让人在阅读之前就对它产生了敬意。我猜想，这么用心包装的书，内容一定也是经过了精心打磨和严谨考证的，它不仅仅是一本工具书，更像是一件值得珍藏的艺术品，放在书架上，都能提升整个空间的科技氛围。那种“大师之作”的气场，从拿到手的那一刻就已经扑面而来了，让人忍不住想立刻翻开，去探索它所蕴含的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本著作的初体验，就像是进入了一个由无数精密齿轮构成的复杂机器内部，每一个章节的衔接都设计得极其巧妙和连贯。作者的叙事方式不同于许多技术手册那种枯燥的罗列，而是更像一位经验丰富的导师，循序渐进地引导你深入到设计的核心迷宫中去。他似乎非常擅长将那些抽象晦涩的半导体物理概念，通过精妙的比喻和实例，转化为读者可以直观理解的图像。我特别欣赏作者在论述复杂逻辑电路的构建时所展现出的那种结构化思维，每一步推导都逻辑严密，绝不含糊其辞，仿佛有一条清晰的白线，始终牵引着读者的思绪，避免了在浩瀚的技术细节中迷失方向。这种行文的节奏感，使得即便是面对全新的设计范式，读者也能保持一种沉着和自信，而不是被海量的信息压垮。

评分☆☆☆☆☆

从使用价值来看，这本书的实用性是毋庸置疑的，它为我提供了一个坚实可靠的理论基石，去理解和评估当前半导体领域最前沿的发展方向。我感觉它不仅仅是一本知识的载体，更像是一把精密的测量尺，让我能够用更专业的视角去衡量行业内新涌现的各种概念和产品。读完之后，我发现自己看待很多行业新闻和技术报告时的深度和广度都提升了一个层次，不再满足于表面的炒作，而是能迅速穿透表象，直达底层逻辑。这本书所构建的知识体系是如此的扎实和自洽，以至于它已然成为了我工作台面上最常被翻阅的参考资料之一，每次遇到设计上的瓶颈或概念上的困惑时，都能从中找到启发和明确的指引，这比任何快速指南都要来得可靠和持久。

评分☆☆☆☆☆

尽管主题是尖端技术，这本书在引人入胜程度上却丝毫不逊色于一部精彩的小说。我发现自己常常不自觉地沉浸其中，时间一晃而过，根本没有察觉到阅读的“枯燥感”。这大概归功于作者时不时地穿插一些业界发展史上的关键节点和技术转折点，让读者能够将书中的理论知识，放置在一个宏大的历史背景下去审视。例如，当谈到某个新工艺的突破时，作者不仅解释了“为什么能做到”，还深入剖析了“为了达到这个目标，整个团队在思路和实验上进行了哪些颠覆性的尝试”。这种对工程实践和背后决策过程的挖掘，让冰冷的电路参数充满了人情味和故事性，仿佛能感受到当年工程师们在无影灯下攻克难关时的那种激情与智慧的碰撞。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示水准，简直达到了工业设计的美学高度。我见过太多技术书籍，为了节省成本或图省事，将电路图画得像是草稿一样，参数标注混乱不堪，看得人头昏脑胀。然而，这本书中的每一个示意图、每一个波形图，都像是精心绘制的工程蓝图，线条清晰、层次分明，关键节点的标记精准到位。更值得称赞的是，作者在关键概念的解释部分，常常会配上那种“三维立体感”的图示，极大地帮助我理解了那些微观层面上的电荷运动和载流子行为，那种原本只能在脑海中艰难构建的画面，现在清晰地呈现在眼前。这不仅仅是“看得清楚”，更是“理解得透彻”，这种对视觉传达的重视，无疑是提升学习效率的巨大助推器，体现了作者对读者体验的深切关怀。