CMOS集成电路设计手册(第3版 基础篇) R. Jacob Baker pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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R. Jacob Baker 著

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• Baker
• 教材
• 电子工程

店铺： 北京群洲文化专营店

出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115337726

商品编码：29355683907

包装：平装

出版时间：2014-02-01

基本信息

书名：CMOS集成电路设计手册(第3版 基础篇)

定价：69.00元

作者：R. Jacob Baker

出版社：人民邮电出版社

出版日期：2014-02-01

ISBN：9787115337726

字数：

页码：

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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CMOS集成电路设计手册(第3版 基础篇)荣获美国工程教育协会奖
CMOS集成电路设计手册(第3版 基础篇)是CMOS集成电路设计领域的书籍，有着以下的优点
1. 专门讨论了CMOS集成电路设计的基础知识。
2. 详细讨论了CMOS集成电路的结构、工艺以及相关的电参数知识。
3. 理论知识的讨论深入浅出，有利于读者理解。
4. 对书中涵盖的内容，作者做了较为详细的描述，细致入微，有助于读者打下坚实的理论的基础。

内容提要

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《CMOS集成电路设计手册》讨论了CMOS电路设计的工艺、设计流程、EDA工具手段以及数字、模拟集成电路设计，并给出了一些相关设计实例，内容介绍由浅入深。该著作涵盖了从模型到器件，从电路到系统的全面内容，是一本、综合的CMOS电路设计的工具书及参考书。
《CMOS集成电路设计手册》英文原版书是作者近30年教学、科研经验的结晶，是CMOS集成电路设计领域的一本力作。《CMOS集成电路设计手册》已经过两次修订，目前为第3版，内容较第2版有了改进，补充了CMOS电路设计领域的一些新知识，使得本书较前一版内容更加详实。
为了方便读者有选择性地学习，此次将《CMOS集成电路设计手册》分成3册出版，分别为基础篇、数字电路篇和模拟电路篇。本书作为基础篇，介绍了CMOS电路设计的工艺及基本电参数知识。本书可以作为CMOS基础知识的重要参考书，对工程师、科研人员及高校师生都有着较为重要的参考意义。

目录

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章 CMOS设计概述
1.1 CMOS集成电路的设计流程
制造
1.2 CMOS背景
1.3 SPICE概述

第2章 阱
2.1 图形转移
n阱的图形转移
2.2 n阱版图设计
n阱的设计规则
2.3 电阻值计算
n阱电阻
2.4 n阱/衬底二极管
2.4.1 PN结物理学简介
2.4.2 耗尽层电容
2.4.3 存储或扩散电容
2.4.4 SPICE建模
2.5 n阱的RC延迟
2.6 双阱工艺

第3章 金属层
3.1 焊盘
焊盘版图设计
3.2 金属层的版图设计
3.2.1 metal1和via1
3.2.2 金属层的寄生效应
3.2.3 载流极限
3.2.4 金属层设计规则
3.2.5 触点电阻
3.3 串扰和地弹
3.3.1 串扰
3.3.2 地弹
3.4 版图举例
3.4.1 焊盘版图II
3.4.2 金属层测试结构版图设计

第4章 有源层和多晶硅层
4.1 使用有源层和多晶硅层进行版图设计
工艺流程
4.2 导线与多晶硅层和有源层的连接
4.3 静电放电(ESD)保护

第5章 电阻、电容、MOSFET
5.1 电阻
5.2 电容
5.3 MOSFET
5.4 版图实例

第6章 MOSFET工作原理
6.1 MOSFET的电容回顾
6.2 阈值电压
6.3 MOSFET的IV特性
6.3.1 工作在线性区的MOSFET
6.3.2 饱和区
6.4 MOSFET的SPICE模型
6.4.1 SPICE仿真实例
6.4.2 亚阈值电流
6.5 短沟道MOSFET
6.5.1 MOSFET缩比
6.5.2 短沟道效应
6.5.3 短沟道CMOS工艺的SPICE模型

第7章 CMOS制备
7.1 CMOS单元工艺步骤
7.1.1 晶圆的制造
7.1.2 热氧化
7.1.3 掺杂工艺
7.1.4 光刻
7.1.5 薄膜去除
7.1.6 薄膜沉积
7.2 CMOS工艺集成
7.2.1 前道工艺集成
7.2.2 后道工艺集成
7.3 后端工艺
7.4 总结

第8章 电噪声概述
8.1 信号
8.1.1 功率和能量
8.1.2 功率谱密度
8.2 电路噪声
8.2.1 电路噪声的计算和建模
8.2.2 热噪声
8.2.3 信噪比
8.2.4 散粒噪声
8.2.5 闪烁噪声
8.2.6 其他噪声源
8.3 讨论
8.3.1 相关性
8.3.2 噪声与反馈
8.3.3 有关符号的一些后说明

第9章 模拟设计模型
9.1 长沟道MOSFET
9.1.1 平方律方程
9.1.2 小信号模型
9.1.3 温度效应
9.2 短沟道MOSFET
9.2.1 通用设计(起始点)
9.2.2 专用设计(讨论)
9.3 MOSFET噪声模型

0章 数字设计模型
10.1 数字MOSFET模型
10.1.1 电容效应
10.1.2 工艺特征时间常数
10.1.3 延迟时间与跃迁时间
10.1.4 通用数字设计
10.2 MOSFET单管传输门电路
10.2.1 单管传输门的延迟时间
10.2.2 级联的单管传输门的延迟时间
10.3 关于测量的后说明
附录

作者介绍

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R. Jacob (Jake) Baker是一位工程师、教育家以及发明家。他有超过20年的工程经验并在集成电路设计领域拥有超过200项的（包括正在申请中的）。Jake也是多本电路设计图书的作者。

文摘

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序言

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CMOS集成电路设计与优化：从理论到实践的深度解析 在当今科技飞速发展的时代，集成电路（IC）作为现代电子设备的核心，其设计与制造水平直接决定了技术的进步速度与产品的竞争力。CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术因其低功耗、高集成度和良好的驱动能力，已成为大规模集成电路设计中最主流的工艺技术。本书旨在为读者提供一个全面、深入的CMOS集成电路设计知识体系，从最基础的器件原理出发，逐步深入到复杂的电路设计方法、性能优化策略以及实际的制造工艺考量，力求帮助读者建立起扎实的理论基础和丰富的实践经验，最终能够独立完成高质量的CMOS集成电路设计。 第一部分：CMOS器件与工艺基础 本部分将从最底层的物理器件出发，为读者构建对CMOS技术核心的深刻理解。我们将详细阐述MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的结构、工作原理、电学特性以及各种模型。从载流子传输、阈值电压、栅极电容、漏极电流等基本概念入手，逐步深入到亚阈值区、强反转区等不同工作状态下的电流-电压关系。同时，我们将详细介绍CMOS工艺的各个关键步骤，包括硅衬底的制备、掺杂、氧化、光刻、刻蚀、金属互连等，并重点讲解这些工艺过程对MOSFET性能的影响。理解这些基础知识，是后续进行电路设计的前提，能够帮助读者更好地预测和控制电路的行为。 MOSFET工作原理与模型： MOSFET结构解析： 深入剖析N沟道MOSFET（NMOS）和P沟道MOSFET（PMOS）的物理结构，包括源极、漏极、栅极、衬底以及它们的几何尺寸和材料特性。 电场效应与载流子注入： 详细讲解栅极电压如何通过电场效应控制衬底中的载流子浓度，从而形成导电沟道。 阈值电压（Vt）的形成与影响： 探讨阈值电压的物理意义，以及它如何受到氧化层厚度、栅极材料、掺杂浓度等因素的影响。 不同工作区域的I-V特性： 精确描述MOSFET在截止区、线性区（或称三极管区）、饱和区下的电流-电压特性曲线，并推导相应的解析模型，如平方律模型。 高级MOSFET模型： 引入更精确的DC和AC模型，如BSIM等，以捕捉短沟道效应、薄栅氧化层效应、量子效应等，这些模型对于现代深亚微米工艺下的电路设计至关重要。 寄生效应分析： 详细分析MOSFET的寄生电阻、寄生电容，以及它们对电路速度和功耗的影响。 CMOS工艺流程详解： 晶圆制备： 从高纯度硅晶棒的生长到晶圆的切割与抛光，介绍CMOS工艺的基础材料。 氧化与生长： 讲解干氧化、湿氧化等工艺，以及热氧化层作为栅介质的重要性。 掺杂技术： 介绍离子注入和扩散技术，以及它们如何精确控制NMOS和PMOS的掺杂浓度。 光刻技术（Lithography）： 详细讲解光刻的基本原理，包括光刻胶、掩模版、曝光和显影过程，以及其分辨率对器件尺寸的决定性作用。 刻蚀技术（Etching）： 区分干法刻蚀（如等离子刻蚀）和湿法刻蚀，并讨论它们的优缺点及其在不同工艺阶段的应用。 金属化与互连： 介绍铝（Al）、铜（Cu）等金属材料在CMOS工艺中的应用，以及多层金属互连技术的挑战与进展。 化学机械抛光（CMP）： 阐述CMP在实现器件平面化和提高互连质量方面的关键作用。 先进工艺考量： 简要介绍Hi-k栅介质、应变硅（Strained Silicon）、多晶硅栅（Polysilicon Gate）等先进工艺技术，以及它们如何提升MOSFET的性能。 第二部分：CMOS基本电路设计 在掌握了CMOS器件和工艺的基础后，本部分将引导读者进入CMOS基本电路的设计。我们将从最简单的门电路开始，逐步讲解组合逻辑和时序逻辑电路的设计，并深入分析各种电路的性能指标，如延迟、功耗和噪声容限。 CMOS反相器（Inverter）设计与分析： 结构与工作原理： 详细分析CMOS反相器的结构，以及NMOS和PMOS晶体管如何协同工作实现信号反转。 静态特性分析： 推导反相器的电压传输特性曲线（VTC），并分析其高低电平输出电压、扇入扇出能力（Fan-in/Fan-out）和噪声容限（Noise Margin）。 动态特性分析（延迟）： 深入分析反相器的上升时间（t_rise）和下降时间（t_fall），以及它们与负载电容、驱动电流的关系。 功耗分析： 分别计算CMOS反相器的静态功耗（漏电流）和动态功耗（充放电过程），并探讨减小功耗的策略。 CMOS基本逻辑门电路设计： NAND门与NOR门： 详细介绍CMOS NAND门和NOR门的设计，包括其NMOS和PMOS的连接方式，并进行静态和动态特性分析。 其他逻辑门： 讲解如何利用基本门电路构建更复杂的逻辑门，如AND、OR、XOR、XNOR门等。 逻辑门的性能优化： 讨论如何通过调整晶体管尺寸（W/L比）来优化逻辑门的延迟和功耗。 组合逻辑电路设计： 门级逻辑综合： 从布尔表达式或真值表出发，利用基本门电路实现任意组合逻辑功能。 数据通路设计： 讲解多路选择器（Multiplexer）、译码器（Decoder）、编码器（Encoder）、加法器（Adder）、比较器（Comparator）等基本数据通路模块的设计。 时序分析与关键路径： 识别组合逻辑电路中的关键路径，并分析其对整体电路速度的影响。 时序逻辑电路设计： 锁存器（Latch）与触发器（Flip-flop）： 详细介绍D锁存器、D触发器（上升沿/下降沿触发）、JK触发器、T触发器等基本时序元件的设计与工作原理。 寄存器（Register）与移位寄存器（Shift Register）： 讲解如何用触发器构建寄存器组和移位寄存器，用于数据存储和转移。 计数器（Counter）： 设计同步计数器和异步计数器，并分析其工作原理和应用。 时序约束与时钟设计： 讨论时钟信号的质量、占空比、抖动（Jitter）等对时序电路性能的影响。 第三部分：CMOS电路性能优化与设计方法 本部分将聚焦于如何提升CMOS电路的设计质量，包括提高速度、降低功耗、增强鲁棒性等。我们将介绍各种优化技术和先进的设计方法。 速度优化技术： 晶体管尺寸优化： 通过调整NMOS和PMOS的宽度（W）和长度（L）来平衡延迟和功耗。 互连线优化： 讨论金属线的宽度、间距、层数等对互连电阻和电容的影响，并介绍布线优化技术。 门延迟的缩减： 介绍门控技术（Gating）、逻辑块（Logic Block）优化等加速技术。 流水线（Pipelining）技术： 解释流水线如何通过增加并行度来提高整体吞吐量。 时钟树综合（Clock Tree Synthesis, CTS）： 讲解如何设计低偏斜（Skew）的时钟树来保证时序电路的同步性。 功耗优化技术： 动态功耗降低： 降低电源电压（Vdd）： 分析Vdd对功耗（P $propto$ Vdd$^2$）和延迟的影响，并探讨低电压设计技术。 降低开关频率： 通过时钟门控（Clock Gating）等技术，仅激活需要的时钟信号。 降低负载电容： 优化电路结构和互连线，减小有效负载电容。 静态功耗降低： 多阈值电压（Multi-Vt）设计： 使用不同阈值电压的晶体管来权衡性能和功耗。 选择性时钟门控： 仅在必要时才驱动某些模块的时钟。 电源门控（Power Gating）： 在模块不工作时，将其完全断电以消除漏电流。 动态功耗与静态功耗的权衡。 抗干扰能力（Robustness）增强： 噪声容限（Noise Margin）的分析与提升： 确保电路在有噪声干扰的情况下仍能稳定工作。 工艺、电压、温度（PVT）变化的影响： 讨论PVT变化对电路性能的影响，并介绍设计时需要考虑的裕量。 电迁移（Electromigration）与热效应： 分析高电流密度和局部高温对电路可靠性的影响。 低功耗设计方法论： 功耗预算（Power Budgeting）与功耗分析工具： 介绍如何进行功耗的预测和评估。 低功耗设计流程： 从高层抽象到门级实现，贯穿始终的低功耗设计策略。 第四部分：CMOS集成电路的实用考量 本部分将超越纯粹的电路理论，关注CMOS集成电路在实际应用中的关键考量，包括信号完整性、电源完整性、以及与制造工艺的密切联系。 信号完整性（Signal Integrity, SI）： 信号反射与串扰（Crosstalk）： 分析高速信号在互连线上的反射现象及其对信号质量的影响，以及相邻信号线之间的串扰效应。 阻抗匹配： 讲解如何通过控制传输线阻抗和端接技术来减小信号反射。 时域和频域分析： 使用示波器和网络分析仪等工具进行信号质量的测量和评估。 电源完整性（Power Integrity, PI）： 电源分配网络（PDN）设计： 讲解如何设计低阻抗的电源分配网络，以提供稳定、干净的电源。 去耦电容（Decoupling Capacitors）： 分析去耦电容的作用，以及其选型和布局对电源噪声的影响。 地弹（Ground Bounce）与电源塌陷（Voltage Droop）： 解释这些现象的产生原因，以及相应的缓解措施。 输入/输出（I/O）接口电路设计： 标准I/O接口（如LVCMOS, LVTTL）： 介绍常见CMOS I/O接口的电气特性和设计要点。 高速串行接口（如USB, SerDes）： 简要介绍高速串行通信接口的基本原理和设计挑战。 ESD（Electrostatic Discharge）保护： 讲解ESD保护器件的原理和设计，以防止静电损坏。 与EDA工具链的集成： 综合（Synthesis）、布局（Placement）、布线（Routing）： 简要介绍自动化设计（EDA）工具在CMOS IC设计中的作用。 时序分析（Timing Analysis）与静态时序分析（STA）： 讲解如何利用STA工具验证电路的时序是否满足要求。 物理验证（Physical Verification）： 包括DRC（Design Rule Check）和LVS（Layout Versus Schematic）等，确保设计符合工艺规则且版图与原理图一致。 结论 本书通过对CMOS器件原理、基本电路设计、性能优化策略和实际应用考量的系统性阐述，旨在为读者构建一个完整、深入的CMOS集成电路设计知识体系。无论是初学者还是有一定经验的工程师，都能从中获益，提升在这一充满挑战与机遇的领域中的设计能力。掌握这些知识，将为理解和设计未来更复杂的集成电路打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得相当扎实，那种厚重感一下子就抓住了我的注意力，让我感觉手里拿的不仅仅是一本书，更像是一件工程领域的“兵器”。初翻几页，我就被它那种毫不妥协的深度所震撼了。它没有那种为了吸引初学者而做的过度简化，而是直奔核心，用非常严谨的语言阐述了CMOS设计中最基础却也是最关键的那些原理。比如，对MOS管的跨导、阈值电压的详细推导过程，简直像是在做一场微观世界的解剖。我特别喜欢作者在讲解这些概念时，总会穿插一些实际应用中的“陷阱”和注意事项，这让我意识到，书本上的理想模型和实际晶圆上的表现之间，还隔着好几层的复杂性。读完关于噪声和匹配的部分，我感觉自己对版图设计时那些看似不起眼的微小调整，突然有了更深层次的敬畏。那种“细节决定成败”的感觉，是通过大量精确的公式和图表，一步步灌输到大脑里的。对我这个已经有一些经验的设计师来说，这本书就像是一次系统的“内功”修炼，把那些模糊的直觉提升到了可以量化和精确控制的工程高度。它不是那种读完就能马上做出一个复杂系统的教程，而是一本需要反复研读、随时翻阅的参考圣经，每次重温都能发现新的领悟。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我花了很长时间才啃完这本书的前半部分，过程简直是一场意志力的考验。它的文字密度非常高，每一个段落似乎都塞满了信息，根本没有多余的“水词”来浪费读者的宝贵时间。我尤其欣赏作者在阐述器件非理想特性时所表现出的那种近乎偏执的细致。比如，对短沟道效应的分析，它不满足于简单的平方律失效，而是深入到了载流子速度饱和、DIBL（漏致势垒降低）等现象的物理机制。我甚至得停下来，对照着我的仿真工具设置，去验证作者提出的修正模型是否准确反映了实际情况。这种理论与实践紧密结合的写法，极大地提升了我的设计信心——我知道我所使用的理论基础是多么的坚固。它没有提供现成的“配方”，而是教你如何理解为什么这个“配方”会有效，以及在何种边界条件下它会失效。对于那些希望从“会用EDA工具”晋升到“理解器件物理”的设计师而言，这本书是绕不过去的鸿沟，但一旦翻越，视野会立刻开阔许多。它强迫你用更底层的物理语言去思考电路行为，而不是停留在宏观的逻辑层面。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示设计，虽然看起来传统，但却极其考究效率。它不像某些现代教材那样追求花哨的彩色印刷，而是专注于用黑白线条和清晰的数学符号来构建知识体系。我发现，当面对像亚阈值导电、氧化物陷阱效应这类抽象的概念时，作者绘制的剖面图和能量带图异常精准，每一条线、每一个标记都有其明确的物理意义。我记得有一章专门讲了工艺角对电路性能的影响，作者通过列出几组极端工艺参数下的仿真结果对比，非常直观地展示了过程变异的灾难性后果。这对我后来的设计决策产生了决定性的影响——我开始更加重视设计裕度和冗余度的考虑，而不是仅仅追求在典型工艺角下的最优性能。这本书的行文风格非常冷静、客观，几乎没有主观色彩，就像一个经验丰富的老工程师在给你讲解那些他自己摸爬滚打多年才总结出来的“血泪教训”。它更像是一本案头常备的“工具书”或“字典”，而不是睡前读物。

评分☆☆☆☆☆

要说这本书给我的最大启发，那就是对“匹配性”这一核心概念的重新认识。在数字电路设计中，我们往往更关注速度和功耗，而对于模拟和混合信号部分，匹配性才是王道。作者用大量篇幅剖析了失配的来源，从晶圆上的随机掺杂不均匀到光刻导致的几何尺寸偏差，再到热效应引起的梯度变化，层层递进。我印象最深的是关于匹配电容和晶体管尺寸对匹配精度的影响分析，那些公式的严谨程度，让我彻底明白了为什么在设计高精度运算放大器时，常常需要牺牲面积来换取更大的器件尺寸。这本书没有停留在“要匹配”这个简单的结论上，而是给出了量化的工具去评估“应该匹配到什么程度”，以及“如何用最经济的方式达到这个目标”。这对于我后续负责的电源管理芯片设计模块，提供了极强的理论支撑。它教会我，好的设计，是从对不确定性的精确控制开始的。

评分☆☆☆☆☆

每次当我感到自己的设计思路有些僵化，或者在调试一个顽固的电路缺陷时，我都会重新拿起这本书的某一章翻阅。它的结构安排非常有逻辑性，从最基本的电学模型，到器件的物理极限，再到系统性的设计考量，层层递进，构建了一个完整的知识金字塔。这本书的价值不在于让你学会最新的IP核使用方法，而在于让你拥有“从零开始”构建一个可靠电路的底层能力。它教会我的，是面对未知问题时的分析框架和思维路径。例如，在处理亚阈值功耗问题时，这本书提供的分析方法，远比软件工具给出的单一数字更有启发性，它让我明白了功耗的来源在哪里，以及如何从根本上进行优化，而不是仅仅调整一个开关阈值电压的偏置点。这本书的厚度和内容的深度，意味着它是一项长期的投资，但回报是设计能力的质的飞跃。它确实是CMOS集成电路设计领域一本不可多得的基石之作。