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第1章 引言1

1.1历史展望与摩尔定律1

1.2数字集成电路的电学性能5

1.2.1逻辑功能6

1.2.2静态电压传输特性10

1.2.3瞬态特性11

1.2.4扇入和扇出13

1.2.5功耗14

1.2.6功率延迟积16

1.3计算机辅助设计与验证16

1.4制造17

1.5半导体和结18

1.6 MOS晶体管18

1.7 MOS门电路19

1.8互连20

1.9动态CMOS20

1.10低功耗CMOS20

1.11双稳态电路21

1.12存储器21

1.13输入/输出和接口电路22

1.14实际的观点22

1.15小结22

练习题23

参考文献24

第2章 制造26

2.1引言26

2.2基本的CMOS制造工序26

2.3先进的高性能CMOS工艺31

2.3.1铜布线31

2.3.2金属栅33

2.3.3高k栅介质33

2.4光刻和掩膜版33

2.5版图和设计规则35

2.5.1最小线宽和间隔37

2.5.2接触孔和过孔39

2.6测试及成品率40

2.7封装41

2.8老化和加速试验42

2.9实际的观点43

2.10总结43

练习题43

参考文献43

第3章 半导体和pn结46

3.1引言46

3.2硅的晶体结构46

3.3能带46

3.4载流子浓度47

3.4.1本征硅48

3.4.2 n型硅48

3.4.3 p型硅49

3.5电流传输49

3.6载流子连续性方程51

3.7泊松方程51

3.8 pn结51

3.8.1零偏置（热平衡）52

3.8.2耗尽电容54

3.8.3正向偏置电流55

3.8.4反向偏置57

3.8.5反向击穿58

3.9金属—半导体结58

3.10 SPICE模型59

3.11实际的观点60

3.12小结60

练习题60

参考文献60

第4章MOS晶体管62

4.1引言62

4.2 MOS电容63

4.3阈值电压65

4.4 MOSFET的电流—电压特性68

4.4.1线性区工作69

4.4.2饱和区工作71

4.4.3亚阈值区工作72

4.4.4渡越时间73

4.5短沟道MOSFET74

4.5.1短沟道效应75

4.5.2窄沟道效应75

4.5.3漏导致的势垒降低75

4.5.4沟道长度调制76

4.5.5依赖电场的迁移率和速度饱和77

4.5.6短沟道MOSFET渡越时间81

4.6 MOSFET设计82

4.7 MOSFET电容85

4.7.1氧化层电容86

4.7.2 pn结电容87

4.7.3密勒效应90

4.8 MOSFET恒定电场的按比例缩小90

4.9 SPICE中的MOSFET模型91

4.9.1 MOSFET level 1模型92

4.9.2伯克利短沟道绝缘栅场效应晶体管模型93

4.10 SPICE说明97

4.11实际的观点99

4.12小结100

练习题100

参考文献102

第5章 MOS门电路103

5.1反相器静态特性103

5.2临界电压106

5.2.1输出高电压VOH106

5.2.2输出低电压VOL106

5.2.3输入低电压VIL107

5.2.4输入高电压VIH107

5.2.5开关阈值（中点）电压VM108

5.3功耗111

5.4传输延迟114

5.5扇出116

5.6 NOR电路117

5.7 NAND电路118

5.8 XOR电路119

5.9一般的逻辑设计119

5.10传输晶体管电路120

5.11 SPICE验证121

5.12实际的观点123

5.13小结123

练习题123

第6章 静态CMOS126

6.1引言126

6.2电压传输特性127

6.2.1电压状态1 ： n-MOS晶体管处于截止区而P-MOS晶体管处于线性区128

6.2.2电压状态2 ： n-MOS晶体管处于饱和区而P-MOS晶体管处于线性区128

6.2.3电压状态3：两个MOS晶体管都处于饱和区129

6.2.4电压状态4 ： n-MOS晶体管处于线性区而P-MOS晶体管处于饱和区131

6.2.5电压状态5 ： n-MOS晶体管处于线性区而P-MOS晶体管处于截止区131

6.3负载表面分析133

6.4临界电压134

6.4.1输入低电压NIL134

6.4.2开关阈值VM135

6.4.3输入高电压VIH136

6.5穿通（短路）电流136

6.5.1电流状态1 ： n-MOS晶体管处于截止区136

6.5.2电流状态2 ： n-MOS晶体管处于饱和区137

6.5.3电流状态3 ： p-MOS晶体管处于饱和区137

6.5.4电流状态4 ： p-MOS晶体管处于截止区137

6.5.5穿通电流统一的表达式137

6.5.6阈值电压的影响137

6.6传输延迟140

6.6.1从高电平至低电平传输延迟tPHL140

6.6.2低电平到高电平传输延迟tPLH141

6.6.3传输延迟的设计方程141

6.6.4在对称反相器中的传输延迟142

6.6.5传输延迟的近似表达式142

6.6.6输入上升时间和下降时间的影响144

6.7反相器的上升时间和下降时间145

6.7.1下降时间145

6.7.2上升时间146

6.7.3输入上升时间和下降时间对输出上升时间和下降时间的影响147

6.8短沟道CMOS的传输延迟148

6.8.1在短沟道CMOS中从高电平至低电平传输延迟tPHL148

6.8.2短沟道CMOS低电平到高电平的传输延迟t PLH149

6.8.3短沟道与长沟道延迟方程比较149

6.8.4短沟道CMOS传输延迟设计方程150

6.9功耗152

6.9.1电容开关功耗153

6.9.2短路功耗153

6.9.3泄漏电流功耗154

6.10扇出156

6.11作为扇出函数的电路延迟157

6.12 CMOS环形振荡器160

6.13 CMOS反相器设计160

6.14 CMOS NAND电路161

6.14.1在CMOS NAND门中晶体管尺寸的调整162

6.14.2 CMOS NAND门的静态特性162

6.14.3 CMOS NAND门的动态特性164

6.15 CMOS NOR电路165

6.16 CMOS实现的其他逻辑功能166

6.16.1 AND-OR-INVERT门晶体管尺寸的调整167

6.17 74HC系列 CMOS167

6.18准n-MOS电路170

6.19 CMOS按比例缩小171

6.19.1 CMOS全比例缩小172

6.19.2 CMOS的恒定电压按比例缩小172

6.20 CMOS中的闩锁173

6.21 SPICE验证174

6.22实际的观点178

6.23小结178

练习题179

第7章 互连线184

7.1引言184

7.2互连线的电容184

7.3互连线的电阻186

7.4互连线的电感188

7.5互连延时建模188

7.5.1电容集总模型189

7.5.2分布式模型189

7.5.3传输线模型191

7.6串扰193

7.7多晶硅互连线195

7.8 SPICE验证196

7.9实际的观点202

7.10小结202

练习题203

参考文献204

第8章 动态CMOS206

8.1引言206

8.2上升时间207

8.3下降时间208

8.4电荷共享209

8.5电荷保持210

8.6逻辑设计211

8.7使用P-MOS晶体管上拉网络的另一种形式212

8.8动态逻辑电路级联213

8.9多米诺逻辑214

8.10多输出多米诺逻辑电路215

8.11拉链逻辑216

8.12动态传输晶体管电路217

8.12.1逻辑“1”的传输延迟t1218

8.12.2逻辑“0”的传输延迟t0219

8.13 CMOS传输门电路222

8.14 SPICE验证223

8.15实际的观点225

8.16小结225

练习题226

参考文献227

第9章 低功耗CMOS电路228

9.1引言228

9.2低压CMOS电路228

9.3多电压CMOS电路229

9.4动态电源调节231

9.5有源体偏置232

9.6多阈值CMOS电路234

9.7绝缘逻辑电路235

9.8绝缘体上的硅238

9.8.1 SOI技术238

9.8.2 S01 MOS晶体管241

9.8.3用于低功耗CMOS的SOI242

9.9实际的观点243

9.10小结243

练习题244

参考文献245

第10章 双稳态电路248

10.1引言248

10.2置位一复位锁存器250

10.3 SR触发器251

10.4 JK触发器252

10.5其他触发器255

10.6施密特触发器255

10.6.1 CMOS施密特触发器257

10.7 SPICE验证261

10.8实际的观点263

10.9小结263

练习题263

参考文献264

第11章 数字存储器265

11.1引言265

11.2静态随机存储器266

11.2.1 CMOS SRAM单元267

11.2.2 n-MOS SRAM单元267

11.2.3 SRAM的灵敏放大器268

11.3动态随机存储器269

11.4只读存储器270

11.4.1 NOR型只读存储器271

11.4.2 NAND型只读存储器273

11.5可编程只读存储器274

11.6可擦除可编程只读存储器274

11.7电可擦除可编程只读存储器276

11.8闪存277

11.9其他非易失性存储器279

11.10数字存储器的存取时间281

11.11行和列译码器设计282

11.12实际的观点284

11.13小结285

练习题285

参考文献285

第12章 输入/输出和接口电路289

12.1引言289

12.2输入静电放电保护289

12.3输入启用电路290

12.3.1 CMOS传输门290

12.4 CMOS输出缓冲器293

12.5三态输出297

12.6接口电路298

12.6.1高电压CMOS到低电压CMOS298

12.6.2低电压CMOS到高电压CMOS300

12.7 SPICE验证300

12.8实际的观点304

12.9小结304

练习题304

参考文献306

附录A符号列表307

附录B国际单位制315

附录C数量级前缀316

附录D希腊字母317

附录E物理常数318

附录F在300K时硅和锗的特性319

附录G在300K时二氧化硅的特性320

附录H重要的方程式321

附录I设计规则322

附录J pn结开关瞬态特性327

附录K双极和BiCMOS电路330

附录L集成电路封装341