Design and Test of Digital Circuits by Quantum-Dot Cellular Automata pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Huang, Jing 编

出品人:

页数:382

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出版时间:

价格:$ 157.07

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isbn号码:9781596932678

丛书系列:

图书标签:

• 量子点蜂窝自动机
• 数字电路
• 电路设计
• 电路测试
• 纳米技术
• 新型计算
• 低功耗设计
• QCA
• VLSI
• 集成电路

模拟与数字电路的交叉领域：基于微电子器件的系统设计与验证 本书聚焦于现代电子系统设计的前沿领域，特别是如何利用先进的半导体技术和新兴的纳米器件概念，来构建和验证高性能、低功耗的数字逻辑电路。 本书摒弃了传统基于CMOS技术的理论框架，转而深入探讨了在当前摩尔定律放缓的背景下，如何通过创新性的器件结构和电路范式来实现更高效的计算。全书围绕两大核心支柱展开：先进微电子器件的特性分析与基于这些器件的数字系统设计方法论及验证流程。 第一部分：超越传统半导体的器件基础与模型构建 (Foundations in Novel Transistor Architectures and Modeling) 本部分首先回顾了当前主流集成电路技术（如FinFETs）的局限性，并为后续章节奠定了理解新型开关器件的基础。 第一章：微缩效应下的电荷输运物理 深入分析了亚微米尺度下半导体材料的载流子行为。重点讨论了量子隧穿效应、载流子迁移率的饱和现象，以及它们对器件开关速度和亚阈值摆幅的影响。引入了经典的Shockley-Read-Hall (SRH) 复合模型，并扩展到描述新型量子限制结构中的非理想载流子注入与抽取机制。对器件的寄生电容和电感进行了细致的二维和三维建模，强调了互连效应（Interconnect Effects）在高速设计中的主导地位。 第二章：新型场效应晶体管（FETs）的结构与特性 本章详尽考察了当前研发阶段的几类关键晶体管结构： 1. 超薄体SOI (UTB-SOI) 结构分析： 探讨了衬底隔离层厚度对短沟道效应的抑制能力，以及其在低电压操作下的性能优势和缺陷。 2. 隧道FET (TFETs) 的工作原理： 详细解析了带间隧穿（Band-to-Band Tunneling, BTBT）机制，并对比了其在实现陡峭亚阈值斜率（Subthreshold Swing, SS < 60mV/decade）方面的理论潜力与实际器件中的缺陷（如高本征缺陷密度）。 3. 铁电体场效应晶体管 (FeFETs) 与阻变存储器 (RRAM) 的集成潜力： 从材料科学角度阐述了铁电材料的极化反转动力学及其在非易失性逻辑电路中的应用前景，特别关注其在存算一体（In-Memory Computing）架构中的优势。 第三章：器件级仿真与参数提取 本章侧重于将物理模型转化为可用于电路仿真的工程参数。介绍了基于TCAD（Technology Computer-Aided Design）工具的仿真流程，包括网格划分、边界条件设定和求解器选择。重点讨论了如何通过实验数据（如I-V曲线、C-V曲线）反演器件模型中的关键工艺参数（如掺杂浓度、氧化物陷阱密度）。引入了紧凑模型（Compact Modeling）的概念，特别是如何建立满足SPICE仿真要求的非线性微分方程组来描述新型器件的瞬态行为。 第二部分：基于新型器件的数字逻辑设计与电路实现 (Digital Logic Synthesis and Implementation with Advanced Devices) 在掌握了新型器件的特性和建模方法后，本部分转向实际的数字电路设计流程。 第四章：新型器件的逻辑门设计范式 由于新型器件的I-V特性与传统MOS存在本质差异，传统的CMOS逻辑设计规则不再完全适用。本章提出了基于这些新兴器件的逻辑设计策略： 1. 基于TFET的低功耗逻辑族： 分析了TFET固有的单极性（Unipolarity）对互补逻辑设计带来的挑战，并提出了准互补逻辑（Quasi-Complementary Logic）和负载驱动逻辑（Load-Driven Logic）的构建方法。 2. 负阻特性器件的应用： 探讨了利用负微分电阻（NDR）特性器件（如RTDs——隧道二极管）实现单晶体管逻辑（One-Transistor Logic, OTL）的可能性，并分析了其在触发器和振荡器设计中的应用。 3. 阈值电压的鲁棒性设计： 针对FeFET等器件中由材料退化或漂移引起的阈值电压（$V_{th}$）不确定性，设计了具有自适应偏置（Adaptive Biasing）的驱动电路，以维持稳定的逻辑阈值。 第五章：时序与功耗优化的高级电路技术 本章聚焦于在器件非理想性基础上实现高性能系统的关键技术： 1. 时钟网络设计与抖动分析： 针对纳米器件中更显著的工艺角（Process Corner）变化，详细分析了时钟信号的传输延迟和时钟抖动（Jitter）。引入了基于统计学（Monte Carlo）的延迟分析方法，评估在不同工艺角下时序裕度（Timing Margin）的变化。 2. 动态功耗与静电功耗的量化： 不仅计算了开关功耗（$P_{dyn} = alpha C V^2 f$），更侧重于静电功耗（Leakage Power）的深度剖析。针对TFET和FeFET的亚阈值泄漏，设计了电源门控（Power Gating）和多阈值电压（Multi-$V_{th}$）的分配策略，并研究了如何通过引入穿通型晶体管（Punch-through Transistors）来优化静态功耗。 3. 异步逻辑与流水线设计： 探讨了如何利用器件的固有延迟特性，采用自同步电路（Self-Timed Circuits）和握手协议（Handshaking Protocols）来消除对全局时钟的依赖，从而有效缓解时钟树带来的功耗和设计复杂性。 第三部分：系统级验证与设计流程的适配 (System-Level Verification and Design Flow Adaptation) 本部分将目光从单个电路扩展到整个系统，关注如何在缺乏成熟商业EDA支持的情况下，对基于新型器件的芯片进行可靠性验证。 第六章：新型器件系统的仿真与验证方法 由于新型器件往往缺乏成熟的商业仿真库支持，本章提出了从底层到顶层的验证策略： 1. 混合模式仿真（Hybrid Simulation）： 介绍如何结合高精度的TCAD仿真结果（针对关键敏感模块）与快速的SPICE模型（针对大规模逻辑电路），实现系统的快速迭代验证。特别关注电路级仿真与系统级建模（如SystemC）之间的接口桥接。 2. 故障注入与容错机制： 针对纳米器件中固有的缺陷敏感性（如单粒子翻转S/EFI、随机缺陷），详细阐述了在HDL（硬件描述语言）层面和电路层面对抗性设计（Resilient Design）的实现。包括对纠错码（ECC）和三模冗余（TMR）结构的优化布局。 3. 设计流程的迭代与反馈： 论述了如何建立一个快速的设计-仿真-反馈循环。强调将器件的工艺变化和器件参数波动，通过工艺角分析传递给设计团队，确保设计在制造公差内保持功能正确性和性能指标。 第七章：面向特定应用的集成电路实例分析 为巩固理论知识，本章提供了两个基于新型器件技术的集成电路实例分析： 1. 超低功耗无线传感器节点（WSN）处理器核心： 利用TFET逻辑实现了关键的加法器和寄存器堆栈，重点对比了其在相同功能下相比于传统CMOS技术的能量延迟积（Energy-Delay Product, EDP）的改善。 2. 基于FeFET的非易失性存储逻辑单元： 设计了一个简单的逻辑电路，该电路能够在断电后保留其逻辑状态。分析了写入/擦除操作对电路寿命的影响，并提出了优化读写路径的设计。 本书旨在为电子工程、微电子学和计算机体系结构领域的学生及研究人员提供一个全面且深入的视角，指导他们理解并驾驭下一代电子器件所带来的设计挑战与机遇。内容强调理论的严谨性、模型的准确性，以及从器件到系统集成的完整设计思维链。

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