微机电系统基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:机械工业

作者:刘昶

出品人:

页数:530

译者:

出版时间:2008-1

价格:59.00元

装帧:

isbn号码:9787111231677

丛书系列:

图书标签:

• 微机电系统
• MEMS
• 传感器
• 微电子机械系统
• 微纳技术
• 集成电路
• 物理学
• 工程学
• 电子工程
• 材料科学

电子器件与集成电路设计：从原理到实践 本书导读： 本书旨在为电子工程、微电子学及相关领域的学生、研究人员和工程师提供一个全面、深入的指南，涵盖现代电子器件的物理基础、集成电路的设计流程、关键电路模块的实现技术以及前沿的半导体工艺发展。它侧重于从器件的本征特性出发，解析其对宏观电路性能的影响，并详细阐述如何利用这些特性进行高效能、低功耗的集成电路设计。 --- 第一部分：半导体物理与基础器件原理 本部分是理解现代电子系统的基石，深入探讨了构成所有集成电路的半导体材料的电学和光学特性。 第一章：半导体材料的电子结构与输运 晶体结构与能带理论： 介绍硅、锗等晶体的晶格结构、布拉维点阵的概念。重点讲解能带理论，包括价带、导带、禁带宽度（Band Gap）的物理意义及其对材料导电性的影响。阐述有效质量（Effective Mass）的概念及其在载流子输运中的作用。 载流子统计与输运方程： 深入分析费米-狄拉克统计在非简并和简并半导体中的应用。详细推导和阐述载流子的漂移（Drift）和扩散（Diffusion）机制，包括载流子迁移率（Mobility）的温度和掺杂依赖性。引入德里伍德（Drift-Diffusion）方程组，作为描述半导体内部载流子分布和电场关系的宏观基础。 PN结的建立与特性： 详尽分析PN结的形成过程，包括内建电场、耗尽区（Depletion Region）的形成和宽度计算。详细讨论PN结在不同偏置条件下的伏安特性（I-V Curve），包括正向导通、反向击穿机制（雪崩击穿和齐纳击穿）。介绍肖特基势垒（Schottky Barrier）的形成原理及其与PN结的对比分析。 第二章：关键半导体器件的物理模型 双极性晶体管（BJT）的深入分析： 阐述BJT的工作原理，包括不同工作区（截止、放大、饱和、反向）的载流子注入、传输和收集过程。建立Ebers-Moll模型和混合$pi$模型，重点分析其非理想效应，如基极阻抗、俄歇尔效应（Early Effect）对电流增益的影响。探讨高频特性，如$ ext{f}_{ ext{T}}$和$ ext{f}_{ ext{P}}$的物理限制。 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的理论基础： 这是现代集成电路的核心。详细介绍MOS结构电容-电压（C-V）曲线的四个工作区：强反型、弱反型、阈值区和积累区。精确推导阈值电压（$ ext{V}_{ ext{th}}$）的形成机制，包括氧化物电容、表面势和费米能级移动的贡献。 MOSFET的直流与交流模型： 深入研究MOSFET在“弱反型”（Subthreshold）和“强反型”（Strong Inversion）工作区下的I-V特性。建立平方律模型和更精确的连续模型。详细分析沟道长度调制效应（Channel Length Modulation）和载流子速度饱和（Velocity Saturation）对短沟道器件性能的影响。引入米勒电容、栅极电阻等寄生参数对晶体管高频响应的限制。 --- 第二部分：模拟集成电路设计与分析 本部分将理论转化为实际电路设计，聚焦于模拟信号处理中的核心功能模块。 第三章：基本模拟电路单元 电阻、电容与电感在集成电路中的实现： 讨论集成电路工艺对无源器件的限制。介绍电阻的类型（扩散电阻、多晶硅电阻、源极/漏极电阻）及其匹配性、温度系数和噪声特性。分析集成电容的实现（MOS电容、MIM电容）及其在不同应用场景下的适用性。 理想与非理想运放（Operational Amplifier）： 详细解析运算放大器（Op-Amp）的结构和设计目标。从基本的差分对（Differential Pair）开始，逐步构建双级反馈结构。深入分析决定运放性能的关键参数：开环增益、相位裕度（Phase Margin）、单位增益带宽（Unity Gain Bandwidth）、共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR）。讨论补偿技术（如米勒补偿）以确保电路的稳定性。 反馈理论与稳定性分析： 介绍负反馈在提高电路性能中的作用。使用波德图（Bode Plot）和Nyquist图对反馈系统的稳定性进行严格分析。讨论如何通过补偿网络优化瞬态响应和闭环系统的相位裕度。 第四章：模拟功能模块设计实践 电流镜与有源负载： 讲解电流源/汇的设计原理，重点分析双路晶体管电流镜的匹配误差来源（如沟道长度调制、阈值电压失配）。引入镜像消除技术。讨论如何利用有源负载（如套叠晶体管结构）提高增益并减小功耗。 放大器设计实例： 详细设计并分析高增益、低噪声的前置放大器，以及高摆幅的输出级。探讨如何平衡增益、带宽和功耗需求。针对特定应用（如传感器接口），设计仪表放大器（Instrumentation Amplifier），重点解决共模信号抑制问题。 反馈系统与振荡器设计： 介绍线性反馈移位寄存器（LFSR）和环形振荡器（Ring Oscillator）的基本原理。分析LC振荡器和RC振荡器的设计与起振条件，并讨论其相位噪声（Phase Noise）的主要来源。 --- 第三部分：数字集成电路与CMOS逻辑 本部分聚焦于数字电路的设计流程，特别是当前主流的CMOS技术。 第五章：CMOS逻辑门电路 CMOS基本结构与工作原理： 详细解析NMOS和PMOS晶体管的特性，建立CMOS反相器（Inverter）的静态和动态传输特性曲线。推导其噪声容限（Noise Margin）和电压增益。 静态逻辑家族： 深入分析NAND、NOR门的结构和尺寸优化（Sizing）。讨论组合逻辑电路的静态功耗、动态功耗与开关延迟的计算。引入晶体管的$eta$值匹配概念在逻辑设计中的应用。 高级逻辑结构与功耗分析： 讲解更复杂的逻辑门（如传输门TG、复合逻辑门）。重点分析CMOS电路的功耗：静态功耗（亚阈值漏电流）和动态功耗（充电/放电）。介绍降低功耗的技术，如电源门控（Power Gating）。 第六章：时序电路与半定制化设计 锁存器与触发器（Latches and Flip-Flops）： 讲解D锁存器和D触发器的基本结构，重点分析主从结构（Master-Slave）的设计以消除毛刺。详细讨论时钟抖动（Clock Jitter）和建立时间/保持时间（Setup/Hold Time）对数字系统同步性的影响。 时序分析与异步电路： 介绍时序逻辑电路的路径延迟分析方法，包括建立时间裕度（Slack）的计算。讨论时钟树综合（Clock Tree Synthesis, CTS）的挑战与目标。简要介绍异步（Clockless）数字电路的设计理念及其在超低功耗场景下的潜力。 静态随机存取存储器（SRAM）单元： 详细描述6T SRAM单元的读/写操作原理和稳定性要求。分析位线（Bitline）的充放电延迟，以及SRAM设计中关键的“Hold”裕度和“Read”稳定性问题。 --- 第四部分：集成电路制造工艺与互连技术 本部分将视野从器件层面提升到芯片制造和系统集成层面。 第七章：半导体制造基础工艺流程 硅片准备与掺杂技术： 介绍硅晶圆的生长、切割和抛光过程。重点阐述离子注入（Ion Implantation）技术，包括注入能级、剂量控制及其对PN结深度的影响。讨论退火（Annealing）在激活注入离子中的关键作用。 薄膜沉积与刻蚀： 介绍化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）技术，用于形成介质层和金属导线。详细讨论干法刻蚀（Dry Etching，如RIE）和湿法刻蚀的原理、选择性及其对侧壁陡峭度的控制。 光刻技术（Lithography）： 深入讲解光刻的基本流程，包括光刻胶的选择、曝光和显影。详细分析衍射限制、光学邻近效应（OPC）以及浸入式光刻和EUV光刻技术在推进摩尔定律中的作用。 第八章：互连线模型与高级封装 互连线的寄生效应： 随着集成度的提高，金属导线不再是理想导体。分析导线电阻、分布电容和电感对RC延迟的影响。引入互连线延迟模型，如Elmore延迟模型。 金属层设计与线宽效应： 讨论多层金属布线的重要性，以及不同金属层（信号层、电源层）的材料选择和厚度差异。分析线宽效应（Wire Spacing Effects）和交叉耦合（Crosstalk）噪声对信号完整性的威胁。 芯片级封装（Chip-Level Packaging）： 介绍先进封装技术（如Flip Chip, Wafer Level Packaging）对系统性能的影响。讨论2.5D和3D集成技术（如TSV, Through-Silicon Via）在解决I/O带宽和功耗瓶颈中的战略地位。 --- 总结与展望： 本书的结构旨在构建一个从微观物理到宏观系统设计的完整知识体系。通过深入理解器件的物理本质，读者将能更有效地选择和设计满足特定性能需求的模拟和数字电路，并理解现代半导体制造工艺的挑战与机遇。本书适合作为高等院校电子工程、微电子科学与工程专业本科高年级及研究生的核心教材或参考书。

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