半导体集成电路

第1章 绪论 1

1.1 半导体集成电路的概念 1

1.1.1 半导体集成电路的基本概念 1

1.1.2 半导体集成电路的分类 2

1.2 半导体集成电路的发展过程 4

1.3 半导体集成电路的发展规律 5

1.4 半导体集成电路面临的问题 6

1.4.1 深亚微米集成电路设计面临的问题与挑战 6

1.4.2 深亚微米集成电路性能面临的问题与挑战 7

1.4.3 深亚微米集成电路工艺面临的问题与挑战 7

技术展望：摩尔定律的扩展 7

习题 8

第2章 双极集成电路中的元件形成及其寄生效应 9

2.1 双极集成电路的制造工艺 9

2.1.1 双极型晶体管的单管结构和工作原理 9

2.1.2 双极集成晶体管的结构与制造工艺 12

2.2 理想本征双极晶体管的埃伯斯-莫尔（EM）模型 18

2.2.1 一结两层二极管（单结晶体管）的EM模型 18

2.2.2 两结三层三极管（双结晶体管）的EM模型 19

2.2.3 三结四层三极管（多结晶体管）的EM模型 20

2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应 21

2.3.1 npn管工作于正向工作区和截止区的情况 22

2.3.2 npn管工作于反向工作区的情况 22

2.3.3 npn管工作于饱和区的情况 23

2.3.4 降低寄生pnp管的方法 23

技术展望：SiGe异质结双极晶体管 23

习题 24

第3章 MOS集成电路中的元件形成及其寄生效应 25

3.1 MOSFET晶体管的制造工艺 25

3.1.1 MOSFET晶体管器件结构与工作原理 25

3.1.2 MOSFET的制造工艺 26

3.2 CMOS集成电路的制造工艺 28

3.2.1 p阱CMOS工艺 29

3.2.2 n阱CMOS工艺 36

3.2.3 双阱CMOS工艺 36

3.3 Bi-CMOS集成电路的制造工艺 38

3.3.1 以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺 39

3.3.2 以双极型工艺为基础的Bi-CMOS工艺 40

3.4 MOS集成电路中的有源寄生效应 41

3.4.1 场区寄生MOSFET 41

3.4.2 寄生双极型晶体管 42

3.4.3 CMOS集成电路中的闩锁效应 43

技术展望：绝缘体上硅（SOI）技术 44

习题 45

第4章 集成电路中的无源元件 46

4.1 集成电阻器 46

4.1.1 双极集成电路中的常用电阻 46

4.1.2 MOS集成电路中常用的电阻 56

4.2 集成电容器 58

4.2.1 双极集成电路中常用的集成电容器 58

4.2.2 MOS集成电路中常用的电容器 60

4.3 互连线 61

4.3.1 多晶硅互连线 62

4.3.2 扩散层连线 62

4.3.3 金属互连线 62

技术展望：铁电电容器 64

习题 65

第5章 MOS晶体管基本原理与MOS反相器电路 66

5.1 MOS晶体管的电学特性 66

5.1.1 MOS晶体管基本电流方程的导出 66

5.1.2 MOS晶体管I-V特性 68

5.1.3 MOS晶体管的阈值电压和导电特性 70

5.1.4 MOS晶体管的衬底偏压效应 72

5.1.5 MOS晶体管的二级效应 73

5.1.6 MOS晶体管的电容 76

5.2 MOS反相器 80

5.2.1 反相器的基本概念 80

5.2.2 E/R型nMOS反相器（电阻负载型MOS反相器） 82

5.2.3 E/E型nMOS反相器（增强型nMOS负载反相器） 83

5.2.4 E/D型nMOS反相器（耗尽型nMOS负载反相器） 86

5.2.5 CMOS反相器 87

技术展望：3D晶体管 101

习题 101

第6章 CMOS静态门电路 103

6.1 基本CMOS静态门 103

6.1.1 CMOS与非门 103

6.1.2 CMOS或非门 104

6.2 CMOS复合逻辑门 106

6.2.1 异或门 106

6.2.2 其他复合逻辑门 107

6.3 MOS管的串并联特性 108

6.3.1 晶体管串联的情况 108

6.3.2 晶体管并联的情况 109

6.3.3 晶体管尺寸的设计 109

6.4 CMOS静态门电路的功耗 111

6.4.1 CMOS静态逻辑门电路功耗的组成 111

6.4.2 降低电路功耗的方法 115

6.5 CMOS静态门电路的延迟 118

6.5.1 延迟时间的估算方法 118

6.5.2 缓冲器最优化设计 123

6.6 功耗和延迟的折中 125

技术展望：减少短脉冲干扰信号功耗 126

习题 126

第7章 传输门逻辑和动态逻辑电路 128

7.1 基本的传输门 128

7.1.1 nMOS传输门 129

7.1.2 pMOS传输门 130

7.1.3 CMOS传输门 131

7.2 传输门逻辑电路 131

7.2.1 传输门逻辑电路举例 131

7.2.2 传输门逻辑的特点 133

7.3 基于二叉判决图BDD的传输门逻辑生成方法 134

7.4 基本动态CMOS逻辑电路 138

7.4.1 基本CMOS动态逻辑电路的工作原理 139

7.4.2 动态逻辑电路的优缺点 140

7.5 传输门隔离动态逻辑电路 141

7.5.1 传输门隔离动态逻辑电路工作原理 142

7.5.2 传输门隔离多级动态逻辑电路的时钟信号 142

7.5.3 多米诺逻辑 144

7.6 动态逻辑电路中存在的问题及解决方法 147

7.6.1 电荷泄漏 147

7.6.2 电荷共享 148

7.6.3 时钟馈通 149

7.6.4 体效应 149

技术展望：如何选择逻辑类型 150

习题 151

第8章 时序逻辑电路 153

8.1 电荷的存储机理 153

8.1.1 静态存储机理 153

8.1.2 动态存储机理 154

8.2 电平敏感锁存器 155

8.2.1 SR静态锁存器 155

8.2.2 时钟脉冲控制SR静态锁存器 157

8.2.3 CMOS静态逻辑结构D锁存器 157

8.2.4 基于传输门多选器的D锁存器 159

8.2.5 动态锁存器 160

8.3 边沿触发寄存器 161

8.3.1 寄存器的几个重要参数（建立时间、维持时间、传输时间） 161

8.3.2 CMOS静态主从结构寄存器 162

8.3.3 传输门多路开关型寄存器 163

8.3.4 C2MOS寄存器 167

8.4 其他类型寄存器 169

8.4.1 脉冲触发锁存器 169

8.4.2 灵敏放大器型寄存器 170

8.4.3 灵敏放大器型寄存器 170

8.5 带复位及使能信号的D寄存器 173

8.5.1 同步复位D寄存器 173

8.5.2 异步复位D寄存器 173

8.5.3 带使能信号的同步复位D寄存器 174

8.6 寄存器的应用及时序约束 175

8.6.1 计数器 175

8.6.2 时序电路的时序约束 177

技术展望：异步数字系统 180

习题 180

第9章 MOS逻辑功能部件 183

9.1 多路开关 183

9.2 加法器和进位链 185

9.2.1 加法器定义 185

9.2.2 全加器电路设计 187

9.2.3 进位链 190

9.3 算术逻辑单元 194

9.3.1 以传输门为主体的算术逻辑单元 195

9.3.2 以静态逻辑门电路为主体的算术逻辑单元 196

9.4 移位器 197

9.5 乘法器 200

技术展望：片上系统（SoC）技术 203

习题 204

第10章 半导体存储器 207

10.1 存储器概述 207

10.1.1 存储器的分类 207

10.1.2 存储器的相关性能参数 208

10.1.3 半导体存储器的结构 209

10.2 非挥发性只读存储器 209

10.2.1 ROM的基本存储单元 210

10.2.2 MOS OR和NOR型ROM 210

10.2.3 MOS NAND型ROM 215

10.2.4 预充式ROM 217

10.2.5 一次性可编程ROM 218

10.3 非挥发性读写存储器 218

10.3.1 可擦除可编程ROM 218

10.3.2 电可擦除可编程ROM 220

10.3.3 FLASH存储器 224

10.4 随机存取存储器 227

10.4.1 SRAM 227

10.4.2 DRAM 232

10.5 存储器外围电路 234

10.5.1 地址译码单元 234

10.5.2 灵敏放大器 236

10.5.3 时序和控制电路 238

技术展望：高密度存储器 238

习题 239

第11章 模拟集成电路基础 241

11.1 模拟集成电路中的特殊元件 241

11.1.1 MOS可变电容 241

11.1.2 集成双极型晶体管 244

11.1.3 集成MOS管 246

11.2 MOS晶体管及双极晶体管的小信号模型 247

11.2.1 MOS晶体管的小信号模型 249

11.2.2 双极晶体管的小信号模型 250

11.3 恒流源电路 252

11.3.1 电流源 252

11.3.2 电流基准电路 257

11.4 基准电压源电路 258

11.4.1 基准电压源的主要性能指标 258

11.4.2 带隙基准电压源的基本原理 259

11.5 单级放大器 262

11.5.1 MOS集成电路中的单级放大器 262

11.5.2 双极集成电路中的单级放大器 266

11.6 差动放大器 271

11.6.1 MOS差动放大器 271

11.6.2 双极晶体管差动放大器 276

技术展望：低压低功耗模拟集成电路技术 279

习题 280

第12章 D/A及A/D变换器 281

12.1 D/A变换器基本概念 281

12.1.1 D/A变换器基本原理 281

12.1.2 D/A变换器的分类 283

12.1.3 D/A变换器的技术指标 283

12.2 D/A变换器的基本类型 284

12.2.1 电流定标D/A变换器 284

12.2.2 电压定标D/A变换器 287

12.2.3 电荷定标D/A变换器 288

12.3 A/D变换器的基本概念 289

12.3.1 A/D变换器基本原理 289

12.3.2 A/D变换器的分类 290

12.3.3 A/D变换器的主要技术指标 290

12.4 A/D变换器的常用类型 292

12.4.1 积分型A/D变换器 292

12.4.2 逐次逼近式（SAR）A/D变换器 293

12.4.3 ∑-△A/D变换器 294

12.4.4 全并行ADC 295

12.4.5 流水线A/D变换器 295

技术展望：A/D变换器的发展方向 296

习题 297

参考文献 299