具体描述
《普通高等教育"十一五"国家级规划教材•普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材:微电子器件与IC设计基础(第2版)》主要讲述微电子器件和集成电路的基础理论。内容包括：微电子器件物理基础；PN结；双极晶体管及MOSFET结构、工作原理和特性；JFET及MES—FET概要；集成电路基本概念及集成电路设计方法。共计7章。
《从原子尺度到宏观世界的工程奇迹：一本关于半导体材料、制造工艺与集成电路设计的深度探索》 在信息时代飞速发展的今天，我们享受着智能手机、高性能计算机、先进医疗设备以及无数其他电子产品的便利。然而，这些看似触手可及的技术奇迹，其背后却蕴含着一个庞大而精密的科学与工程体系。本书旨在揭示这个体系的核心奥秘，带领读者深入理解那些构成现代电子世界基石的微电子器件是如何被创造出来，以及它们如何被巧妙地集成，从而实现复杂的功能。 本书并非对“微电子器件与IC设计基础”这一特定教材内容的直接复述，而是从一个更广阔的视角出发，以一种独立且详尽的方式，勾勒出微电子学和集成电路设计领域宏大的画卷。我们将穿越材料科学的边界，探索半导体的本质，理解晶体管的诞生与演进，并最终揭示芯片设计的智慧。 第一部分：材料的奇迹——微观世界的探索 一切电子器件的根基，都源自于对物质特性的深刻理解，尤其是半导体材料。本书将首先从原子和分子的尺度开始，深入探讨硅（Si）作为现代集成电路最重要材料的独特之处。我们将追溯硅的晶体结构，解析其价电子的运动规律，并阐述“能带理论”如何解释了导体、绝缘体和半导体之间的根本差异。理解能带结构，特别是价带、导带以及它们之间的带隙，是理解半导体器件行为的关键。 随后，我们将重点关注半导体材料的纯化与掺杂技术。从最初的天然矿石到如今接近完美纯度的硅晶圆，这背后是材料科学和冶金学的一系列突破。我们将详细介绍高纯度硅的制备过程，例如西门子法（Siemens process）和直拉法（Czochralski method），以及如何控制杂质浓度对半导体导电性的影响。例如，通过掺杂五价元素（如磷P、砷As）形成n型半导体，或掺杂三价元素（如硼B、镓Ga）形成p型半导体，这两种基本类型的半导体的特性是如何被精确调控的，以及它们如何构成PN结这一最基本的电子器件单元。 除了硅，我们还将简要介绍其他重要的半导体材料，如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等，并阐述它们在特定应用领域（如高频通信、功率器件）的优势，以及它们的晶体结构和电子特性与硅的差异。理解这些材料的特性，有助于我们认识到在不断追求性能提升和功能多样化的过程中，材料科学的创新是如何驱动电子技术进步的。 第二部分：制造的艺术——从晶圆到芯片的蜕变 如果说材料是基石，那么制造工艺就是将这些基石雕琢成精密器件的鬼斧神工。本部分将详细解析半导体器件的制造过程，这通常被称为“前道工艺”（Front-End-of-Line, FEOL）和“后道工艺”（Back-End-of-Line, BEOL）。 我们将从硅晶圆的制备开始，介绍如何将单晶硅生长成具有特定直径和厚度的圆片。随后，我们将深入讲解光刻（Photolithography）这一核心工艺。光刻技术是图形转移的关键，它利用光线将掩模板上的电路图形精确地投影到涂覆有光刻胶的硅片表面。我们将详细介绍不同类型的光刻技术，从早期的紫外光刻到如今的深紫外（DUV）光刻，再到极紫外（EUV）光刻，并解释提高分辨率和减小特征尺寸所面临的技术挑战。 围绕光刻，我们将详细介绍薄膜沉积（Thin Film Deposition）和刻蚀（Etching）技术。薄膜沉积用于在硅片表面形成各种功能层，如氧化层（SiO2）、氮化层（SiN）、多晶硅（Polysilicon）以及金属导电层。我们将介绍化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等常见方法，并解释它们在不同应用中的选择。刻蚀则是去除不需要的材料，从而形成器件的结构。我们将区分湿法刻蚀（Wet Etching）和干法刻蚀（Dry Etching），并重点介绍等离子体刻蚀（Plasma Etching）和反应离子刻蚀（RIE）等技术，它们如何实现高精度、高选择性的图形加工。 此外，离子注入（Ion Implantation）作为掺杂的主要手段，其原理、设备以及如何精确控制掺杂区域和掺杂浓度将得到详细阐述。金属化（Metallization）是构建芯片内部互连线的重要步骤，我们将介绍如何通过溅射、电镀等方法沉积铝、铜等金属，并通过化学机械抛光（CMP）等技术实现平面化。 最后，我们将概述晶圆测试（Wafer Sort/Testing）以及芯片的封装（Packaging）过程。晶圆测试是在将芯片切割成独立单元之前，对每个芯片的功能和性能进行初步检测。封装则是在将裸露的芯片保护起来，并提供与外部电路连接的接口，包括引线键合、倒装芯片等多种封装形式，以及它们如何影响芯片的可靠性、散热和信号完整性。 第三部分：设计的智慧——从逻辑门到复杂系统 一旦理解了器件的制造原理，我们就能进一步探讨如何将这些微小的电子开关组合起来，实现更加复杂的功能。本部分将聚焦于集成电路（IC）的设计过程，这是一个融合了逻辑、算法、架构和物理实现的复杂工程。 我们将从最基本的逻辑门（Logic Gates）开始，例如AND、OR、NOT、NAND、NOR等，解释它们是如何由晶体管组成的，以及它们如何实现布尔逻辑运算。随后，我们将介绍组合逻辑（Combinational Logic）和时序逻辑（Sequential Logic）的概念。组合逻辑的输出仅取决于当前的输入，而时序逻辑的输出则还取决于其历史状态，例如触发器（Flip-flops）和寄存器（Registers），它们是构建记忆单元的基础。 在此基础上，我们将引入数字集成电路设计的核心概念，如状态机（State Machines）、有限状态机（Finite State Machines, FSM）以及微处理器（Microprocessors）的体系结构。我们将探讨指令集架构（ISA）的设计，以及指令的解码、执行流水线等。 本书将详细介绍集成电路设计的流程，通常包括： 系统级设计（System-Level Design）： 确定芯片的功能需求，将其分解为更小的模块。 寄存器传输级（RTL）设计： 使用硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL，来描述芯片的功能和行为。我们将介绍RTL设计的原则，以及如何通过仿真（Simulation）来验证设计的正确性。 逻辑综合（Logic Synthesis）： 将RTL代码转化为门级网表（Gate-level Netlist），这是一个由基本逻辑门组成的电路描述。我们将介绍逻辑综合工具的作用，以及如何优化设计以实现面积、性能和功耗的目标。 布局布线（Placement and Routing）： 将门级网表中的逻辑门和连接线映射到物理芯片上。布局（Placement）决定了逻辑单元在芯片上的位置，而布线（Routing）则负责连接这些单元，形成实际的电路。我们将介绍布局布线过程中面临的挑战，如时序收敛（Timing Convergence）、功耗优化和信号完整性（Signal Integrity）等。 物理验证（Physical Verification）： 在设计完成的最后阶段，进行一系列检查，以确保设计的物理实现符合制造规则（Design Rule Checking, DRC），并检查是否存在设计与版图之间的设计规则冲突（Layout Versus Schematic, LVS）。 流片（Tape-out）与制造： 设计完成后，将最终的版图数据提交给晶圆厂进行制造。 此外，我们还将探讨模拟集成电路（Analog Integrated Circuits）的设计。与数字电路不同，模拟电路处理的是连续变化的信号，其设计需要精确控制电压、电流、增益、带宽等参数。我们将简要介绍运放（Operational Amplifiers）、滤波器（Filters）、数据转换器（Data Converters）等基本模拟电路模块的设计原理，以及模拟和数字电路混合设计的复杂性。 结语：连接过去、现在与未来 本书从材料的本质出发，深入到器件的制造工艺，再延展到复杂系统的设计智慧，力求为读者构建一个完整且系统的微电子器件与集成电路设计领域知识框架。我们希望通过这种多角度、深层次的探讨，让读者不仅仅是了解“是什么”，更能理解“为什么”。 从早期的晶体管时代，到集成电路的诞生，再到如今的超大规模集成电路（VLSI）和系统级芯片（SoC）时代，微电子技术的发展速度和影响之深远，是人类工程史上的一个奇迹。本书的编写，正是希望能为读者提供一把钥匙，去理解这个奇迹背后的原理，去感受科学家和工程师们在不断挑战极限、追求卓越的精神。 本书的内容旨在提供一个独立且全面的视角，帮助读者理解微电子器件的物理基础、制造的精妙以及设计的艺术，为进一步深入研究和学习奠定坚实的基础。希望通过阅读本书，您能对信息时代赖以生存的电子技术，有一个更深刻、更全面的认识。
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目录信息
第二版前言第一版前言符号表第1章 半导体物理基础 1．1 半导体材料 1．1．1 半导体材料的原子构成 1．1．2 半导体材料的晶体结构 1．2 半导体中的电子 1．2．1 量子力学简介 1．2．2 半导体中电子的特性与能带 1．2．3 载流子 1．3 热平衡状态下载流子的浓度 1．3．1 电子的统计分布规律 1．3．2 载流子浓度与费米能级的关系 1．3．3 本征半导体与杂质半导体 1．4 载流子的输运 1．4．1 载流子的散射 1．4．2 载流子的漂移运动与迁移率 1．4．3 漂移电流与电导率 1．4．4 扩散运动与扩散系数 1．4．5 电流密度方程与爱因斯坦关系式 1．5 非平衡载流子 1．5．1 非平衡载流子的复合与寿命 1．5．2 准费米能级 1．6 连续性方程与扩散方程 1．6．1 连续性方程 1．6．2 扩散方程 思考题1 习题1第2章 PN结 2．1 平衡PN结能带图及空间电荷区 2．1．1 平衡PN结能带图 2．1．2 PN结的形成过程 2．1．3 平衡PN结的载流子浓度分布 2．2 理想PN结的伏安特性 2．2．1 PN结的正向特性 2．2．2 PN结的反向特性 2．2．3 理想PN结的伏安特性 2．3 实际PN结的特性 2．3．1 PN结空间电荷区中的复合电流 2．3．2 PN结空间电荷区中的产生电流 2．3．3 PN结表面漏电流与表面复合、产生电流 2．3．4 PN结的温度特性 2．4 PN结的击穿 2．4．1 PN结空间电荷区中的电场 2．4．2 PN结的雪崩击穿和隧道击穿 2．5 PN结的电容 2．5．1 PN结的势垒电容 2．5．2 PN结的扩散电容 思考题2 习题2第3章 双极晶体管 3．1 双极晶体管的结构 3．1．1 基本结构 3．1．2 晶体管的杂质分布 3．1．3 晶体管的实际结构 3．1．4 晶体管的结构特点 3．1．5 集成电路中的晶体管 3．2 双极晶体管的放大原理 3．2．1 晶体管直流短路电流放大系数 3．2．2 晶体管内载流子的传输 3．2．3 发射效率和基区输运系数 3．2．4 共基极直流电流放大系数■ 3．2．5 共射极直流电流放大系数岛 3．3 双极晶体管电流增益 3．3．1 均匀基区晶体管直流电流增益 3．3．2 缓变基区晶体管直流电流增益 3．3．3 影响电流放大系数的因素 3．3．4 大电流下晶体管放大系数的下降 3．4双极晶体管常用直流参数 3．4．1反向截止电流 3．4．2击穿电压 3．4．3集电极最大电流 3．4．4基极电阻 3．5 双极晶体管盲流伏安特性 3．5．1 均匀基区晶体管直流伏安特性 3．5．2 双极晶体管的特性曲线 3．5．3 Ebers—Moll模型 3．6 交流小信号电流增益及频率特性参数 3．6．1 交流小信号电流传输 3．6．2 BJT交流小信号模型 3．6．3 交流小信号传输延迟时间 3．6．4 交流小信号电流增益 3．6．5 频率特性参数 3．7 双极晶体管的开关特性 3．7．1 晶体管的开关作用 3．7．2 正向压降和饱和压降 3．7．3 晶体管的开关过程 3．7．4 双极晶体管的开关时间 思考题3 习题3第4章 结型场效应晶体管 4．1 JFET结构与工作原理 4．1．1 PNJFET基本结构 4．1．2 JFET工作原理 4．1．3 JFET特性曲线 4．1．4 夹断电压及饱和漏源电压 4．2 MESFET 4．2．1 金属与半导体接触 4．2．2 MESFET基本结构 4．2．3 MESFET工作原理 4．3 JFET直流特性 4．4 直流特性的非理想效应 4．4．1 沟道长度调制效应 4．4．2 速度饱和效应 4．4．3 亚阈值电流 4．5 JFET的交流小信号特性 4．5．1 JFET的低频交流小信号参数 4．5．2 JFET本征电容 4．5．3 交流小信号等效电路 4．5．4 JFET的频率参数 思考题4 习题4第5章 MOSFET 5．1 MOS结构及其特性 5．2 MOSFET的结构及工作原理 5．2．1 MOSFET基本结构 5．2．2 MOSFET基本类型 5．2．3 MOSFET基本工作原理 5．2．4 MOSFET转移特性 5．2．5 MOSFET输出特性 5．3 MOSFET的阈值电压 5．3．1 阈值电压的含义 5．3．2 平带电压 5．3．3 实际MOS结构的电荷分布 5．3．4 阈值电压表示式 5．3．5 VBS≠O时的阈值电压 5．3．6 影响阈值电压的因素 5．4 MOSFET直流特性 5．4．1 萨支唐方程 5．4．2 影响直流特性的因素 5．4．3 击穿特性 5．4．4 亚阈特性 5．5 MOSFET小信号特性 5．5．1交流小信号参数 5．5．2本征电容 5．5．3交流小信号等效电路 5．5．4 截止频率 5．6 MOSFET开关特性 5．6．1 开关原理 5．6．2 开关时间 5．7 短沟道效应及按比例缩小规则 5．7．1 短沟道效应的含义 5．7．2 短沟道对阈值电压的影响 5．7．3 窄沟道对阈值电压的影响 5．7．4 按比例缩小规则 思考题5 习题5第6章 集成电路概论 6．1 什么是集成电路 6．2 集成电路的发展历史 6．3 集成电路相关产业及发展概况 6．4 集成电路分类 6．5 集成电路工艺概述 6．5．1 外延生长 6．5．2 氧化 6．5．3 掺杂 6．5．4 光刻 6．5．5 刻蚀 6．5．6 淀积 6．5．7 钝化 6．6 CMOS工艺中的无源器件及版图 6．6．1 电阻 6．6．2 电容 6．6．3 电感 6．7 CMOS工艺中的有源器件及版图 6．7．1 NMOS 6．7．2 PMOS 6．7．3 NPN 6．7．4 PNI 6．8 CMOS反相器 6．8．1 CMOS反相器的直流特性 6．8．2 CMOS反相器的瞬态特性 6．8．3 CMOS反相器的功耗与设计 6．8．4 CMOS反相器的制作工艺及版图 6．9 CMOS传输门 6．9．1 NMOS传输门的特性 6．9．2 PMOS传输门的特性 6．9．3 CMOS传输门的特性 6．10 CMOS放大器 6．10．1 共源放大器 6．10．2 源极跟随器 6．10．3 共栅放大器 思考题6 习题6第7章 集成电路设计基础 7．1 模拟集成电路设计概述 7．2 模拟集成电路的设计流程及EDA 7．2．1 模拟集成电路设计一般流程 7．2．2 模拟集成电路设计相关EDA 7．2．3 模拟集成电路设计实例 7．3 数字集成电路设计流程及EDA 7．3．1 数字集成电路设计一般流程 7．3．2 数字集成电路设计相关EDA 7．3．3 Vetiog HDL及数字电路设计 7．4 集成电路版图设计 7．4．1 集成电路版图设计基本理论 7．4．2 版图设计的方式 7．4．3 半定制数字集成电路版图设计 7．4．4 全定制模拟集成电路版图设计 思考题7 习题7参考文献附录 附录A 硅电阻率与杂质浓度关系 附录B 硅中载流子迁移率与杂质浓度关系 附录C si和GaAs在300K的性质 附录D 常用元素、二元及三元半导体性质 附录E 常用物理常数 附录F 国际单位制(sI单位) 附录G 单位词头
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读后感
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从装帧设计和纸张质感上来看，这本书的处理也相当用心。内页的排版疏密得当，字体大小适中，即便是长时间阅读，眼睛的疲劳感也得到了很好的缓解。我很喜欢它所选用的纸张，那种略带粗糙却又温润的手感，与书中那种厚重的历史感是相得益彰的。有时候，一本好书不仅仅在于内容，阅读的物理体验同样重要。这次的印刷质量非常高，没有出现任何错字或脱页的情况，装订也十分牢固，这显示了出版方对这部作品的尊重。可以说，从拿到手的那一刻起，就能感受到它作为一本“值得珍藏”的书籍所应有的品质和诚意。
评分我花了很长时间才将这本书完全读完，原因并非是内容枯燥，恰恰相反，是因为它太过丰富，我生怕错过任何一个细微的暗示。这本书的知识密度非常高，涉及到的领域跨度极大，从历史背景到心理分析，再到某种特定文化的细枝末节，都有着相当扎实的考据。我甚至为此去查阅了一些背景资料，以更好地理解某些段落的典故。这种要求读者投入大量精力的作品，往往能带来更持久的回味。它不是那种读完就忘的快餐文学，而是一座需要反复探访的知识宝库。每次重读，我都能从中发掘出上次忽略掉的新层次和新含义，这无疑是衡量一部优秀作品的重要标准。
评分我不得不说，这本书的文笔实在是太有辨识度了。作者独创的句式结构和词汇运用，构建了一个非常独特的世界观。它不是那种平铺直叙的描述，而是充满了意象和象征，初读可能会觉得有些晦涩，但深入进去后，便能感受到其中蕴含的强大情感力量。我经常需要停下来，细细品味那些被巧妙安排的段落，思考它们背后的深层含义。这种需要“动脑筋”的阅读体验，对我来说非常有吸引力。它挑战了我既有的阅读习惯，迫使我用更开放的心态去接纳和理解作者的表达。尽管有些地方的语境转换略显跳跃，但正是这种不拘一格，让整部作品散发出一种蓬勃的生命力和艺术气息。
评分这本书的叙事节奏把握得相当到位，读起来让人沉浸其中，仿佛置身于一个宏大的历史画卷之中。作者对细节的捕捉和人物内心的刻画，都显得尤为精妙。我特别欣赏他如何将那些看似零碎的片段巧妙地编织在一起，最终形成一个完整且富有张力的故事线。这种叙事手法，既保证了阅读的流畅性，又不失深度和厚度。尤其是开篇部分的铺垫，虽然节奏稍缓，却为后续的高潮部分做了极其扎实的铺垫，让人在不知不觉中就被故事的魅力所吸引。整个阅读过程，就像是在解一个层层递进的谜题，每一次翻页都充满了期待。我很少能遇到如此将文学性和故事性结合得如此完美的作品，它不仅仅是在讲述一个故事，更像是在带领读者经历一场深刻的情感洗礼。
评分对于这本书所探讨的主题，我个人认为是非常具有现实意义的。它没有直接去说教，而是通过一系列复杂的人物关系和错综的命运纠葛，不动声色地揭示了人性中的幽微之处。我尤其关注书中对“选择”和“代价”的描写，每一个角色的决定似乎都伴随着沉重的后果，这种对因果链条的细腻描摹，让人在合上书本后依然会反复思考其中的伦理困境。作者展现出了极大的克制力，他没有将是非简单地二元对立，而是呈现了一个充满灰色地带的真实世界。这使得故事的力量超越了单纯的娱乐性，上升到了对生命本质的哲学探讨层面，这一点是我最为推崇的。
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