Fundamentals of Modern VLSI Devices

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出版者:
作者:Taur, Yuan; Ning, Tak H.;
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页数:678
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价格:0
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isbn号码:9781107635715
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图书标签:
  • 半导体
  • VLSI
  • 半导体器件
  • 现代VLSI
  • 集成电路
  • 电子工程
  • 器件物理
  • MOSFET
  • 半导体制造
  • 纳米技术
  • 固态电子学
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具体描述

固态电子器件的进阶探究:聚焦于下一代半导体材料与器件架构 本书旨在为半导体物理、器件工程及微电子学领域的专业人士和高级研究人员提供一份前沿的、深入的技术参考资料。它完全侧重于传统硅基CMOS技术范畴之外的、新兴的固态电子器件领域,尤其关注在摩尔定律持续面临物理极限挑战的背景下,为实现更高能效、更小尺寸以及更强性能所必须探索的新型材料体系和革命性的器件结构。 核心内容聚焦: 第一部分:超越硅基极限:新材料与载流子调控 本部分深入探讨了当前半导体研究热点领域中,用以替代或增强传统晶体管性能的关键新型材料。内容涵盖了材料的本征物理特性、能带工程的设计原理,以及它们在实际器件制造中面临的挑战。 二维(2D)材料电子学: 重点剖析了石墨烯(Graphene)、过渡金属硫族化合物(TMDs,如 $ ext{MoS}_2$, $ ext{WSe}_2$)在超薄沟道晶体管中的应用潜力。详细讨论了二维材料固有的面内电荷传输特性、面外电场效应调控,以及如何克服由于原子级厚度带来的界面陷阱态(Trap States)和接触电阻(Contact Resistance)问题。对如何实现低亚阈值摆幅(Subthreshold Swing, SS < 60 mV/decade)的理想型隧道场效应晶体管(TFETs)在二维材料体系下的设计方案进行了深入的数学建模与仿真分析。 高迁移率半导体系统: 集中研究了III-V族化合物半导体(如 $ ext{InGaAs}$, $ ext{InP}$)在高性能晶体管中的应用。这部分内容详述了异质结构(Heterostructures)的精确构建技术,特别是如何利用应变(Strain Engineering)来优化晶格匹配,从而极大地提高电子/空穴的迁移率。着重分析了 FinFET 结构向“环绕栅极”(Gate-All-Around, GAA)结构过渡中,对InGaAs沟道应力分布与电荷限制效应的耦合影响。 拓扑绝缘体与狄拉克费米子器件: 探讨了基于拓扑材料(如 $ ext{Bi}_2 ext{Se}_3$)的自旋电子学(Spintronics)器件的理论基础。详细阐述了表面态和体态的区分,以及如何利用外加电场或磁场来调控拓扑非平庸相的转变,进而实现基于自旋-轨道耦合(SOC)效应的低功耗逻辑开关或存储器单元。 第二部分:非常规晶体管架构与功能集成 本部分着眼于超越平面MOSFET或标准FinFET结构的器件创新,探讨了如何通过改变器件的三维几何形态或工作原理,来应对功耗墙和性能瓶颈。 铁电隧穿结(Ferroelectric Tunnel Junctions, FTJs)与存储器: 详细分析了基于反铁电体(Antiferroelectrics)或正铁电体材料构建的非易失性存储器(NVM)单元。内容包括铁电薄膜的极化反转动力学、阈值电压的窗口控制(Window Management),以及其在新一代随机存取存储器(FeRAM/FeFET)中的可靠性建模。尤其关注了如何利用脉冲写入机制来优化开关速度与耐久性之间的权衡。 隧道场效应晶体管(TFETs)的深度优化: 与第一部分侧重于材料不同,本部分专注于TFETs的结构设计。深入探讨了带间隧穿(Interband Tunneling)机制下的电流驱动能力限制因素。重点分析了陡峭亚阈值摆幅(SS < 60 mV/decade)的实现路径,包括源区势垒工程(Band-to-Band Tunneling, BTBT)的设计、陡峭的能量梯度沟道设计,以及如何利用外延异质结来优化隧穿概率。 超低功耗逻辑与类脑计算接口: 探讨了非冯·诺依曼架构所需的关键器件。这包括了利用电化学晶体管(Electrochemical Transistors, ECTs)或离子液体门控器件(Ionic-Liquid Gated Devices)来实现极低的静态功耗。对于类脑计算(Neuromorphic Computing),详细解析了突触晶体管(Synaptic Transistors)的工作模型,例如基于阻变存储器(RRAM)的权重更新机制,以及它们在模拟乘累加运算(MAC)中的精度与功耗特征。 第三部分:器件建模、仿真与可靠性挑战 本部分提供了从微观物理到宏观电路层面的分析工具和工程实践指导,主要关注复杂新材料器件的精确描述和长期稳定性评估。 多尺度器件仿真方法: 介绍了如何结合密度泛函理论(DFT)计算来确定材料的电子结构参数,并将其输入到漂移-扩散(Drift-Diffusion)模型或更复杂的薛定谔-泊松方程组中,对新型沟道材料(如2D材料)中的电荷输运进行精确模拟。着重讨论了界面缺陷态对器件特性的非线性影响建模。 新器件的制造工艺窗口与缺陷分析: 针对原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)等关键技术在新型异质结构制造中的应用进行了讨论。重点剖析了晶格失配(Lattice Mismatch)导致的位错(Dislocations)和空位(Vacancies)如何成为器件性能衰减和击穿(Breakdown)的起始点。提出了基于电学表征(如 $ ext{dI/dV}$ 测量)来量化界面陷阱密度的先进方法论。 可靠性与寿命预测: 鉴于新材料和新结构的固有缺陷,本章专门分析了这些器件的长期可靠性问题。内容包括了由于离子迁移导致的阈值电压漂移(Threshold Voltage Instability)、电场诱导的载流子陷阱累积模型(Charge Trapping Modeling),以及在不同温度和偏压条件下的加速老化测试(HALT/HASS)标准和寿命外推技术。 本书的结构设计旨在引导读者从理解基础物理原理出发,逐步深入到前沿器件的工程实现与系统级挑战,为推动下一代半导体技术的发展提供坚实的理论与实践参考。

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读后感

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用户评价

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我必须承认,一开始我曾因为这本书的厚度和专业性而感到些许畏惧,但一旦我开始深入阅读,便被其内容的深度和广度深深吸引。这本书对我来说,更像是一本“工具书”,它提供了理解和分析现代VLSI器件所必需的理论框架和数学工具。作者在讲解量子效应(Quantum Mechanical Effects)对短沟道器件的影响时,那种深入浅出的分析方式让我受益匪浅。例如,书中对沟道势垒引起的量子力学限制(Quantum Confinement)以及其对阈值电压和载流子注入的影响的阐述,让我对超大规模集成电路(ULSI)中必须考虑的量子效应有了更清晰的认识。我特别欣赏作者在讨论栅极介质(Gate Dielectric)材料时,对高k介质(High-k Dielectrics)的引入和发展历程的介绍。理解为什么传统的SiO2材料在随着沟道长度的缩短而面临漏电问题,以及如何通过引入高k材料来解决这一挑战,是理解现代CMOS技术进步的关键。书中关于金属栅极(Metal Gate)和高k介质集成(High-k/Metal Gate, HKMG)工艺的讨论,也让我对当前先进工艺节点的实现有了更直观的理解。这本书不仅仅停留在静态的器件模型,而是关注器件在动态工作状态下的表现,以及如何通过工艺优化来提升器件的性能指标,如开关速度、功耗和可靠性。

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这本书的出现,可以说填补了我知识体系中的一个重要空白,让我能够真正理解那些塑造我们数字生活的技术背后的原理。《Fundamentals of Modern VLSI Devices》以其结构严谨、内容翔实的特点,为我深入探索VLSI器件的世界提供了一个坚实的起点。我对于书中关于栅极漏电(Gate Leakage)问题的详细分析印象深刻,特别是作者在解释不同漏电机制,如直接隧穿(Direct Tunneling)、Fowler-Nordheim隧穿(Fowler-Nordheim Tunneling)以及热电子隧穿(Hot-Electron Tunneling)时,都给出了详尽的物理模型和数学描述。这让我明白,在纳米尺度下,那些看似微小的量子效应如何成为限制器件性能的关键因素,并且需要精密的工艺控制来规避。书中关于沟道调制(Channel Modulation)效应的讨论,如DIBL(Drain-Induced Barrier Lowering)和SCE(Short-Channel Effects)等,也让我认识到,随着器件尺寸的不断缩小,传统的平面MOSFET结构所面临的挑战以及新一代器件的必要性。我对书中关于FinFETs的详细阐述尤其感兴趣,它展示了三维栅极结构如何有效地控制沟道,缓解了短沟道效应,从而成为现代先进工艺节点的重要选择。阅读这本书,就像是在学习一门严谨的科学语言,需要耐心和毅力,但一旦掌握,便能解锁前所未有的洞察力。

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《Fundamentals of Modern VLSI Devices》绝对是一本能让你对半导体器件产生全新认识的著作。我之前对半导体的理解,更多是基于高中物理课本上的简单介绍,而这本书则将我带入了更为精细的微观世界。作者在阐述器件的电特性时,对电流-电压(I-V)特性的分析非常到位,详细讲解了不同工作区域下电流的来源、影响因素以及如何通过器件设计来优化这些特性。我对于书中关于载流子注入(Carrier Injection)和载流子输运(Carrier Transport)的深入讨论印象尤其深刻。理解电子和空穴是如何在电场作用下在沟道中运动,以及在不同通道长度下,输运机制如何从扩散主导(Diffusion-Dominated)转变为漂移主导(Drift-Dominated),再到速度饱和(Velocity Saturation)等效应的出现,都极大地加深了我对器件行为的理解。书中关于功耗(Power Consumption)的讨论也非常关键,尤其是在当今对能效要求极高的时代。作者对静态功耗(Static Power Consumption)和动态功耗(Dynamic Power Consumption)的分析,以及如何通过改进器件结构和电路设计来降低功耗,为我提供了宝贵的启示。这本书的价值在于,它不仅仅是陈述事实,更是引导读者去思考“为什么”,为什么某些结构能带来更好的性能,为什么需要不断创新。

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终于读完了《Fundamentals of Modern VLSI Devices》,这真是一段既充满挑战又收获颇丰的阅读旅程。这本书并非那种能够让你在周末轻松消磨时光的读物,它要求你投入极大的精力和专注,去理解那些构建我们数字世界基石的复杂半导体器件的内在运作原理。刚开始翻开第一页时,我心中也曾有过一丝忐忑,担心那些深奥的物理概念和数学模型会让我望而却步。然而,随着我深入其中,作者用一种循序渐进、由浅入深的方式,将那些原本抽象的概念变得触手可及。从MOSFETs的基本结构和工作原理,到其在集成电路中的应用,再到更复杂的双栅MOSFET (DG-MOSFET) 和 FinFET 等新一代器件,书中都进行了详尽的阐述。我尤其欣赏作者在解释这些器件的物理过程时,不仅仅是列出公式,而是深入剖析了电荷输运、阈值电压、漏电流等关键参数的来源和影响因素。书中大量的图示和示意图,也为我理解复杂的物理过程提供了直观的帮助,它们清晰地展示了器件内部的电场分布、载流子流动以及不同工作状态下的行为。阅读过程中,我常常会停下来,反复琢磨其中的某个模型或者推导过程,试图将书本上的理论知识与我所了解的半导体器件实际应用联系起来。这本书让我深刻体会到,看似微小的晶体管,其背后蕴含着多么精密的物理学和工程学原理。它不仅仅是关于器件本身,更是关于如何通过设计和制造来优化器件性能,以满足日益增长的计算需求。

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《Fundamentals of Modern VLSI Devices》为我打开了理解现代集成电路设计背后核心逻辑的大门。我一直对计算机芯片的运行机制充满好奇,但很多科普读物往往停留在概念层面,无法深入到技术细节。这本书则完全不同,它以一种系统性的方式,从最基本的PN结二极管开始,逐步构建起对更复杂的MOSFETs的理解。我尤其被作者在讲解MOSFETs的亚阈值区特性时所展现出的严谨和细致所折服。理解亚阈值区对于设计低功耗电路至关重要,而书中对亚阈值斜率(Subthreshold Slope, SS)的分析,以及如何通过不同的工艺技术和器件结构来改善SS,给我留下了深刻的印象。此外,书中对于沟道长度调制效应(Channel Length Modulation)和体效应(Body Effect)等实际器件中不可避免的非理想效应的讨论,也让我认识到理论模型与实际器件之间存在的差距,以及如何通过更精确的模型来预测和补偿这些效应。我对书中关于CMOS反相器的工作原理的讲解也印象深刻,它清晰地展示了PMOS和NMOS器件如何协同工作,实现逻辑功能的转换。作者在阐述这些概念时,并没有回避复杂的数学推导,但同时又辅以大量的图例和物理直觉的引导,使得即使是相对困难的部分,也能在反复阅读和思考后有所领悟。这本书不仅是学习VLSI器件知识的宝典,更是一次锻炼逻辑思维和分析能力的绝佳机会,让我能够更深入地理解半导体技术的进步是如何驱动数字时代的发展的。

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我一直认为,要理解一个技术领域,就必须从最基础的原理入手,而《Fundamentals of Modern VLSI Devices》恰恰满足了这一需求。这本书不仅仅是关于“是什么”,更是关于“为什么”和“怎么样”。它将复杂的半导体物理学概念,如载流子浓度(Carrier Concentration)、费米能级(Fermi Level)和能带图(Band Diagrams)等,用一种有逻辑、有条理的方式呈现出来,使得我能够一步步地构建起对各种VLSI器件的认识。我对于书中关于MOSFETs的阈值电压(Threshold Voltage, Vth)的详细分析印象特别深刻,它不仅解释了阈值电压的定义,还深入探讨了影响阈值电压的各种因素,如氧化层厚度、沟道掺杂浓度、栅极材料以及短沟道效应等。理解这些因素对于优化器件性能至关重要。此外,书中关于电流驱动(Current Drive)能力的讨论,即决定器件开关速度的关键指标,也让我明白,通过调整器件结构和工作参数,可以显著提升芯片的计算速度。我尤其欣赏作者在讲解不同工艺技术(如CMOS、Bipolar-CMOS、BiCMOS)时,对于不同器件组合所能带来的优势和劣势的分析。这本书不仅仅是一本教科书,更是一本指导我如何思考和解决半导体器件领域问题的“思想指南”。

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我必须承认,《Fundamentals of Modern VLSI Devices》并不是一本能够让你快速掌握知识的书,它需要投入时间和精力去消化和吸收。然而,一旦你能够深入其中,你就会发现其中的价值是无可估量的。作者在讲解MOSFETs的各种非理想效应时,如沟道长度调制(Channel Length Modulation)和体效应(Body Effect)时,都给出了清晰的物理模型和数学推导,并且详细分析了这些效应如何影响器件的输出特性。我对于书中关于电流注入(Current Injection)和载流子输运(Carrier Transport)的深入分析给我留下了深刻的印象,特别是理解载流子是如何在沟道中被加速、饱和,以及在不同长度的沟道中,输运机制的转变。书中关于漏电流(Leakage Current)的分析也非常关键,特别是在当今低功耗设计的时代,理解不同漏电流的来源,如栅漏电、亚阈值漏电和短沟道漏电,以及如何通过工艺和设计来减小漏电流,至关重要。我尤其欣赏作者在介绍新技术时,如高k栅介质(High-k Gate Dielectrics)和金属栅极(Metal Gates),并详细阐述了这些技术如何克服传统SiO2栅介质的局限性,实现更小的器件尺寸和更好的性能。

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《Fundamentals of Modern VLSI Devices》对我而言,是一次彻底的“知识洗礼”。我原以为自己对半导体已经有了一些了解,但这本书的出现,让我意识到自己之前的认知是多么的浅薄。作者在讲解MOSFETs的饱和区(Saturation Region)和非饱和区(Non-Saturation Region)的特性时,对电流的数学表达式进行了详细的推导,并解释了这些表达式背后所蕴含的物理意义。我对于书中关于沟道区域(Channel Region)的划分,以及不同区域下载流子行为的差异的分析,让我对器件内部的电荷分布有了更直观的认识。书中关于器件的可靠性(Reliability)的讨论,也让我意识到,在实际的芯片设计中,除了性能,还需要考虑器件的长期稳定性和寿命。例如,关于热载流子注入(Hot-Carrier Injection, HCI)和栅氧化层击穿(Gate Oxide Breakdown)等问题,以及如何通过工艺改进和设计来提升器件的可靠性,都让我受益匪浅。我尤其欣赏作者在介绍一些新兴的VLSI器件时,例如SOI(Silicon-On-Insulator)MOSFETs,并详细阐述了其相对于体硅(Bulk Silicon)MOSFETs的优势,如降低寄生电容和改善短沟道效应。这本书让我明白,半导体技术的发展是一个不断迭代、不断突破的过程。

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《Fundamentals of Modern VLSI Devices》为我提供了一个系统性的框架,来理解我们生活中无处不在的电子设备背后的核心技术。《Fundamentals of Modern VLSI Devices》的出现,让我对半导体器件的理解进入了一个全新的维度。作者在讲解MOSFETs的工作原理时,对载流子在沟道中的运动过程进行了非常细致的描述,包括电子和空穴是如何在电场作用下被加速、如何经历速度饱和,以及在沟道结束时如何被收集。我对于书中关于阈值电压(Threshold Voltage, Vth)的讨论给我留下了深刻的印象,它不仅仅是定义了一个开关点,更是牵扯到一系列物理参数,如栅氧化层厚度、沟道掺杂浓度、栅极材料以及表面势等,这些都直接影响着器件的性能。书中关于输出特性(Output Characteristics)的详细分析,以及如何通过改变栅极电压和漏极电压来控制漏电流,让我对器件的控制能力有了更深的理解。我尤其欣赏作者在介绍先进器件时,如FinFETs,并详细阐述了三维栅极结构如何能够更有效地控制沟道,从而缓解了短沟道效应,实现了更好的性能和更低的功耗。这本书让我明白,半导体技术的进步是多方面因素共同作用的结果。

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这是一本真正能够让你“深入骨髓”地理解VLSI器件的书籍。《Fundamentals of Modern VLSI Devices》所涵盖的内容之广、分析之深,让我对现代电子器件的复杂性有了全新的认识。作者在讲解CMOS逻辑门(CMOS Logic Gates)的工作原理时,将前面学到的MOSFETs的知识融会贯通,清晰地展示了PMOS和NMOS如何协同工作,实现逻辑开关功能。我对于书中关于亚阈值斜率(Subthreshold Slope, SS)的详细讨论和分析给我留下了深刻的印象,特别是如何通过改变器件结构,例如采用更薄的栅极氧化层或者更低的掺杂浓度,来改善SS,从而实现低压工作和低功耗。书中对功耗的分析也相当全面,涵盖了静态功耗(Static Power Consumption)和动态功耗(Dynamic Power Consumption)的来源,以及在不同工艺节点下,功耗问题如何变得越来越严峻。我尤其欣赏作者在介绍先进器件时,如多栅器件(Multi-Gate Devices),并详细阐述了FinFETs相较于平面MOSFETs在静电控制能力上的优势,以及如何实现更好的性能。这本书不仅仅是理论知识的堆砌,更是对半导体器件发展趋势的洞察。

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