High Voltage Devices and Circuits in Standard CMOS Technologies pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Hussein Ballan

出品人:

页数:296

译者:

出版时间:1998-10-31

价格:USD 299.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780792382348

丛书系列:

图书标签:

• CMOS
• 高电压
• 电路
• 器件
• 模拟电路
• 电力电子
• 集成电路
• 半导体
• 设计
• 高压电路

先进半导体器件与电路设计：硅基技术的新视野 本书聚焦于现代集成电路（IC）领域中，那些突破传统CMOS边界，实现更高性能、更低功耗和更强鲁棒性的关键技术。 它深入探讨了除标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺流程之外，为满足特定应用需求而发展起来的创新型半导体器件结构、新型材料集成以及面向未来的电路架构。 第一部分：超越极限的晶体管物理与工艺革新 本部分详细剖析了当前CMOS技术在接近物理极限时所面临的挑战，并重点介绍了为应对这些挑战而出现的下一代晶体管技术。 1. 1 亚10纳米节点的器件挑战与应对策略 随着特征尺寸的持续缩小，短沟道效应（SCE）、载流子迁移率饱和、量子隧穿电流（Tunneling Current）的显著增加，以及功耗密度的急剧上升，对传统平面CMOS提出了严峻考验。本书首先回顾了这些物理瓶颈，并系统阐述了鳍式场效应晶体管（FinFET）从概念到大规模商业应用的关键技术节点。 FinFET的精细化设计： 深入分析了三维结构对电场控制的优势，重点讨论了鳍的宽度、高度、栅极包覆角度（Wrap-around Ratio）对亚阈值摆幅（SS）和漏电流的耦合影响。探讨了多晶硅栅极与金属栅极（Metal Gate, HKMG）技术在不同工艺层级的集成优化，以降低等效氧化层厚度（EOT）并提升驱动能力。 超薄体（UTB）SOI器件： 比较了绝缘体上硅（SOI）技术在提高瞬态响应速度和抑制短沟道效应方面的潜力。着重介绍了UTB-SOI在实现更理想的静电控制和潜在的更低工艺复杂度方面的应用前景，特别是在低功耗和射频（RF）应用中的独特优势。 1. 2 铁电场效应晶体管（FeFET）与阻变存储器（RRAM）的集成 为了实现更高效的非易失性存储器（NVM）和内存计算（In-Memory Computing）架构，本书将目光投向了利用材料极化和电阻切换特性的新型器件。 FeFET的机理与应用： 详细阐述了铁电材料（如HZO）的极化反转机制及其在栅极堆栈中的应用。分析了FeFET在实现高密度、高耐久性存储单元中的电路接口设计挑战，以及其在神经形态计算中的应用潜力，特别是模拟突触权重的实现方式。 先进电阻切换器件： 探讨了基于金属氧化物（如HfO2, TaOx）的RRAM器件的开关动力学、电导状态的稳定性及其与CMOS逻辑电路的兼容性。重点分析了在交叉阵列（Crossbar Array）中读/写操作时，如何通过外围电路（如位线驱动器、参考电阻）来补偿器件非理想特性（如开关变异性）。 1. 3 隧道效应晶体管（TFET）与超低功耗设计 TFET作为实现亚60mV/decade亚阈值摆幅（SS）的潜在器件，是突破传统CMOS功耗墙的关键。 带间隧穿（BTBT）机理： 深入分析了直接带隙和间接带隙半导体材料在TFET结构中的应用，以及如何通过能带工程优化隧穿概率。探讨了源极/沟道异质结的构建技术，例如InAs/GaSb或SiGe异质结构。 TFET电路级的挑战： 分析了TFET器件在低驱动电流、高阈值电压（Vth）波动以及开关速度受限于隧穿速率等问题在实际电路设计中的影响。提出了针对TFET特性的新型偏置和驱动电路架构。 第二部分：集成在先进工艺上的新型电路架构 本部分关注如何利用这些新型器件的独特性能，设计出在速度、能效或集成密度方面超越传统CMOS的特定功能电路模块。 2. 1 混合信号与射频集成电路的先进工艺适应性 即使在先进的数字工艺节点上，高性能的模拟和射频电路设计也必须面对器件参数的尺度依赖性问题。 高频噪声与寄生效应建模： 针对小尺寸晶体管（如FinFET）的源极/漏极电阻增加和栅极电容变化，提出了精确的寄生参数提取方法。重点讨论了在毫米波（mmWave）频段，如何设计低噪声放大器（LNA）和压控振荡器（VCO），以补偿晶体管的跨导（gm）下降和$f_T$的限制。 低压差线性稳压器（LDO）的瞬态响应优化： 探讨了在极低供电电压下，如何设计具有足够带宽和高电源抑制比（PSRR）的LDO，以适应数字核心负载的快速瞬态变化。 2. 2 高能效电源管理单元（PMU）的设计 随着系统级芯片（SoC）的功耗预算日益紧张，高效的电源转换电路变得至关重要。 高效率片上DC-DC转换器： 详细分析了集成电感器和开关网络设计在实现高功率密度上的挑战。比较了电荷泵（Charge Pump）和开关电容（Switched Capacitor）转换器在不同电压转换比和负载条件下的效率曲线。 动态电压与频率调节（DVFS）的高速实现： 研究了如何利用快速响应的数字控制回路和低延迟的电压调节器，实现对系统功耗状态的实时、精细化管理，以最大化性能功耗比（PPA）。 2. 3 面向特定领域的高级计算架构 本书最后一部分探讨了如何利用非冯·诺依曼架构和新型计算范式来突破传统计算瓶颈。 模拟神经形态计算： 深入研究了如何利用模拟域的器件特性（如电导率变化、SRAM单元的模拟操作）来实现卷积、池化等基本神经网络操作。分析了如何通过电路补偿技术来处理模拟计算中的累积误差和非线性。 光电集成电路（PICs）接口： 简要介绍了将光互连技术集成到CMOS芯片上的挑战，重点关注光电调制器（Modulator）和探测器（Detector）的CMOS兼容性制造工艺，以及用于高速数据传输的高速驱动和跨阻放大器（TIA）设计。 总结： 本书为半导体工程师、研究人员和高级学生提供了一个深入理解当前和未来半导体技术前沿的综合性参考。它不仅关注单个器件的物理特性，更侧重于如何将这些先进的、有时是异质的元件有效地集成到高性能、高能效的实际电路系统中。全书力求在理论深度和工程实践之间搭建桥梁，为下一代电子系统的设计提供坚实的知识基础。

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在众多半导体器件书籍中，这本书展现出一种罕见的务实主义精神。它没有沉湎于前沿的、尚未量产的技术幻想，而是紧紧围绕“Standard CMOS Technologies”这个核心限制来构建知识体系。对于那些手握成熟工艺库，需要在其基础上拓展功率处理能力的团队来说，这本书提供的指导简直是救命稻草。我发现它在处理ESD（静电放电）保护电路与高压驱动级的接口设计时，体现出了极高的实战价值。书中详细分析了在不同工艺节点下，如何通过优化的栅氧化层厚度和深结二极管的集成来实现可靠的ESD钳位，同时又不至于牺牲正常的信号性能。这种对“Trade-off”的精妙权衡，是教科书往往难以给予的。此外，关于电源管理IC（PMIC）设计中，低压逻辑部分与高压开关级之间的隔离技术，这本书也提供了多套成熟的解决方案范例，并且对比了各自的优缺点，这使得读者在面临具体项目约束时，能够迅速做出最优的技术选型决策，避免了大量的试错成本。

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从排版和图表的质量来看，这本书也达到了出版界的顶尖水准。那些复杂的半导体器件剖面图，线条清晰，标注详尽，即便是用低分辨率打印出来，关键的电场区域和耗尽层边界依然一目了然。我特别留意了参考文献的质量，它引用的都是近些年顶级会议和期刊中的核心论文，这表明作者的知识体系是非常前沿和扎实的。这本书的阅读体验很“踏实”，它不会像某些快速出版物那样，只停留在应用层面的表面介绍。相反，它敢于深入到半导体物理的“黑箱”内部，揭示高压操作下载流子输运的非理想性，并教会读者如何用这些知识来指导实际的布局和布线决策。对于希望构建坚实理论基础，并能理解下一代高压工艺发展方向的资深工程师而言，这本书提供了一个坚实的基石。它不仅仅是一本工具书，更像是一位经验丰富的设计大师，将他几十年在晶圆厂一线总结出的“隐形规则”毫无保留地分享了出来。

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这本书的结构清晰，章节之间的逻辑过渡非常流畅，简直是为自学或快速参考而生的。如果说它的前半部分是关于“结构与物理”，那么后半部分则完全聚焦于“动态行为与噪声抑制”。尤其在讲解高频开关对敏感模拟电路的耦合干扰时，作者采用了一种非常系统化的分析方法。他从电磁兼容（EMC）的基本原理出发，逐步将问题收敛到芯片内部的版图耦合路径上，比如电源/地噪声的回灌效应以及衬底噪声的串扰。我个人认为，这本书中最具启发性的一点是，它没有将高压电路视为一个孤立的模块，而是将其置于整个混合信号SoC的背景下进行考量。例如，它提供了如何设计高效的共模抑制电路来应对高压开关瞬间产生的地弹，同时确保这些缓冲电路本身不会因为工艺的电压限制而性能下降。这种全系统、多层次的视角，极大地拓宽了我对集成电路设计的理解，让我意识到高压集成不仅仅是把管子做大，更是一门关于隔离、时序和噪声博弈的艺术。

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这本书的叙事节奏非常老道，它不像许多教科书那样堆砌公式，而是将复杂的器件行为置于实际的应用背景中去阐释。初读时，我本以为会大量充斥着关于MOSFET亚阈值区的精细建模，但出乎意料的是，它将重点放在了工艺的“边界条件”上。例如，书中对阱与衬底之间的寄生效应处理、深N阱设计对高压耐受力的影响，这些都是在标准数字设计流程中常常被忽略，但在高压模拟电路中却是致命的环节。作者似乎非常了解实际芯片设计团队在Tape-out前夜所面临的那些“怪异”故障，并试图在理论层面给出明确的诊断路径。我特别喜欢其中关于电荷泵和电荷抽取电路的章节，它没有停留在基本的开关电容原理上，而是深入探讨了在CMOS工艺限制下，如何通过布局技巧和驱动时序来优化电荷注入效率和噪声性能。这本书的深度在于它能将那些看似微小的布局细节与宏观的系统性能联系起来，这是一种非常成熟的系统级思维，对于想从“会画图”晋升到“会设计”的设计师来说，价值无可估量。

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这本书的封面设计着实引人注目，那种深邃的蓝色调配上简洁有力的白色字体，立刻就给一种专业、严谨的感觉。我本来对“高压器件与电路”这个领域抱持着一种敬而远之的态度，总觉得它深奥难懂，充斥着晦涩的物理和复杂的半导体结特性。然而，翻开前几页，那种担忧很快就烟消云散了。作者显然在组织材料时下了大功夫，从最基础的CMOS工艺限制和器件物理讲起，循序渐进地引入了高压操作下的新挑战。特别是关于电场限制和击穿机制的讲解，用了很多非常直观的剖面图和仿真结果，即便是一个初次接触这个领域的研究生，也能迅速把握住核心概念。我尤其欣赏它在介绍LDMOS、SOI等特定高压结构时，那种对工艺细节的深入剖析，仿佛作者正拿着探针在实际的晶圆上讲解一样，这比单纯的理论推导要生动和实用得多。这本书的价值不仅仅在于介绍“能做什么”，更在于解释“为什么会失效”以及“如何避免”。对于那些需要在标准CMOS平台上实现高压接口或功率管理模块的工程师来说，这本书无疑是一份极其宝贵的参考手册，它将理论与实践的鸿沟填补得非常到位。

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