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出版者:电子工业

作者:(美)约翰逊//格雷厄姆

出品人:

页数:447

译者:

出版时间:2010-5

价格:55.00元

装帧:

isbn号码:9787121106385

丛书系列:

图书标签:

• 电子
• 英语
• 信号完整性
• 中国
• 2018
• 2010
• 数字电路
• 高速电路
• VLSI
• 集成电路设计
• EDA
• 信号完整性
• 时序分析
• 低功耗设计
• FPGA
• ASIC

晶体管的微观世界：深入探究半导体物理与器件基础 本书聚焦于半导体器件的物理基础、材料科学的最新进展，以及对晶体管结构和工作原理的细致剖析。它旨在为读者构建一个坚实的理论框架，用以理解现代电子系统的基石——半导体的工作机制。 --- 第一部分：半导体物理的根基 本部分是理解所有半导体器件的起点。我们摒弃对宏观电路的快速跳跃，而是深入到原子和电子的层面，探究半导体的本征特性。 第一章：晶体结构与能带理论的重建 本章首先回顾晶体物理学的基本概念，从硅的晶格结构、布拉维格子到晶体缺陷的分类（点缺陷、线缺陷和面缺陷）。随后，重点阐述电子在周期性势场中的行为。我们将详细推导布洛赫定理及其在理解晶体中电子运动中的关键作用。 核心内容在于能带理论的构建。我们将清晰区分价带、导带和禁带宽度（Bandgap）。通过对比金属、绝缘体和半导体的能带结构，阐明它们导电特性的根本区别。此外，本章将深入探讨本征半导体中的载流子浓度计算，基于统计力学推导费米能级在禁带中的位置，并引入有效质量的概念，解释电子和空穴运动的差异。 第二章：掺杂的艺术与载流子的统计分布 本章专注于如何通过人为引入杂质来调控半导体的电学特性。我们将详细介绍N型掺杂和P型掺杂的过程、杂质能级的位置及其对载流子浓度的影响。 关键的理论工具是载流子统计。我们将推导在不同温度下，外加杂质对电子和空穴浓度贡献的精确模型。重点讨论冻结效应（Freeze-out）和饱和效应（Ionization Saturation）——在低温下杂质原子未能完全电离，以及在高温下本征载流子浓度超越掺杂浓度的现象。同时，本章也会涉及环境因素，如温度和光照对载流子寿命和复合率的影响，引入非平衡载流子（Excess Carriers）的概念。 第三章：载流子输运现象的动力学描述 理解载流子如何在电场和浓度梯度下移动，是分析器件性能的关键。本章将全面解析载流子的输运机制。 漂移（Drift）：基于牛顿第二定律和量子力学对电子运动的限制，推导出欧姆定律的微观形式。详细分析迁移率（Mobility）的温度依赖性，讨论声子散射、杂质散射等主要散射机制对迁移率的限制。 扩散（Diffusion）：利用浓度梯度驱动的运动，推导菲克扩散定律。重点阐述爱因斯坦关系式，它将迁移率与扩散系数紧密联系起来，是理解PN结展开过程的基础。 陷阱与寿命：深入探讨载流子在半导体内部的寿命问题，分析陷阱态（Trap States）在复合过程中的角色，区分直接复合、SRH复合和俄歇复合机制，并量化载流子的平均寿命。 --- 第二部分：核心半导体结构的建立与分析 在掌握了基础物理后，本部分将这些知识应用于构建和分析最基本的半导体结构——PN结和MOS结构。 第四章：理想PN结的形成与静态特性 PN结是所有二极管和晶体管的构建块。本章从最基本的界面物理开始。 势垒的建立：详细分析空穴和电子在界面处的扩散与漂移平衡过程，精确求解空间电荷区（Depletion Region）的电荷密度分布、电场强度分布和内建电势（Built-in Potential）的计算方法。 伏安特性：推导著名的理想二极管方程，并从热力学角度解释该方程中指数项的物理意义。本章将分析正向偏置下的电阻特性，以及反向偏置下的齐纳击穿和雪崩击穿的物理机制和临界条件。 第五章：非理想PN结效应与实际器件考量 实际制造的PN结总是存在缺陷，本章关注这些非理想因素如何影响器件性能。 串联电阻与欧姆接触：分析衬底电阻、扩散电阻以及接触电阻对器件输出特性的影响。讨论如何实现低电阻的金属-半导体欧姆接触，避免肖特基势垒的产生。 少数载流子存储效应：在开关应用中，少数载流子的存储电荷（Storage Charge）是限制开关速度的关键因素。本章量化了存储电荷对开关时间的贡献，并引入了肖特基势垒二极管的特点。 第六章：MOS电容器的电学分析 金属-氧化物-半导体（MOS）结构是现代场效应晶体管的核心。本章采用准静态分析的方法，建立电学模型。 C-V特性曲线的精细解读：系统地分析在不同偏置电压下（积累、耗尽、反型）的电容特性。重点推导耗尽层宽度与表面电荷密度对阈值电压（Threshold Voltage, $V_{th}$）的精确影响，包括二次项效应（Body Effect）。 界面态的影响：讨论硅-二氧化硅界面处陷阱态（Interface Traps）的密度分布及其对$V_{th}$和器件稳定性的负面影响。分析高频和低频C-V曲线的差异。 --- 第三部分：半导体结的演化与应用基础 本部分将前述基础知识拓展到更复杂的结型结构和新型材料的初步探讨。 第七章：结型双极晶体管（BJT）的工作原理 本章是基于PN结的放大器件的深入研究。 晶体管的结构与电流增益：详细分析NPN和PNP晶体管的发射区、基区和集电区的掺杂梯度设计。推导扩散电流模型，重点分析基区宽度对电流传输系数的影响，并引入$eta$（直流电流增益）的物理来源。 Ebers-Moll模型与混合$pi$模型：从物理推导到工程应用，介绍简化模型，用以预测晶体管在不同工作区（截止、饱和、正向有源区）的宏观行为。分析高注入效应（High-Level Injection）如何降低$eta$值。 第八章：场效应晶体管（FET）的跨导与开关特性 聚焦于基于MOS结构的场效应晶体管（MOSFET）。 沟道电导的建模：详细推导线性区（Linear Region）和饱和区（Saturation Region）的漏极电流方程。重点分析跨导（Transconductance, $g_m$）的物理意义，它是衡量晶体管放大能力的关键参数。 短沟道效应的起源：随着尺寸缩小，亚阈值摆幅（Subthreshold Swing）的增加、阈值电压的降低以及漏致势垒降低（DIBL）等短沟道效应开始主导器件性能。本章系统地分析这些效应的物理成因及其对器件线性度的破坏。 第九章：新型半导体材料与器件前沿展望 本章将视野拓展到传统硅基技术之外的领域，探讨新兴材料如何克服现有技术的物理极限。 化合物半导体（如GaAs, GaN）：分析其与硅在电子迁移率、禁带宽度和载流子饱和速度上的优势，以及它们在射频和高功率器件中的应用基础。 二维材料的潜力：简要介绍石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）等材料的单原子层特性，以及它们在实现极低功耗开关器件方面的挑战与机遇。 --- 本书的特点在于其严谨的物理推导和对微观机制的坚持。它不着重于复杂的集成电路设计或特定的工艺流程，而是致力于为读者提供一套完整的、从材料到器件的核心物理学工具箱。

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这本书给我带来的冲击是颠覆性的！我之前对数字电路的理解，还停留在基础的逻辑门和时序分析层面，但这本书彻底刷新了我的认知。它以一种极其严谨的态度，深入探讨了在GHz级别下，电路行为的微妙变化。我之前对“电源完整性”一直感到困惑，觉得它只是个辅助性的概念，但这本书让我认识到，它在高频设计中的重要性堪比信号完整性。作者详细讲解了去耦电容的选型、布局，以及如何有效抑制电源噪声的传播，这些知识对于理解为什么一些设计在低频时正常，但在高速运行时却出现各种不稳定现象至关重要。而且，书中对“封装”和“连接器”在高频设计中的影响也做了深入分析，这往往是很多初学者容易忽略的地方。作者从电磁兼容（EMC）的角度，阐述了这些组件如何成为信号传输的瓶颈，以及如何通过选择合适的封装和连接器来优化信号质量。这本书的逻辑结构非常清晰，从概念引入，到理论推导，再到实践应用，层层递进，让我能够逐步掌握复杂的知识。我甚至觉得，这本书中的很多内容，在一些大学的本科课程中都很难接触到。

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这本书的阅读体验堪称一场思维的盛宴！它没有简单地罗列技术细节，而是通过大量生动的案例研究，将抽象的理论具象化。我印象最深刻的是关于“差分信号”的应用，作者详细解释了差分信号相对于单端信号在抑制共模噪声方面的优势，并深入探讨了在实际PCB设计中如何进行差分对的精确走线，包括线宽、线距、长度匹配等关键参数的控制。书中还引入了“S参数”的概念，并解释了如何利用S参数来表征传输线和连接器的频率响应，这对于理解高速信号在不同阻抗环境下的传输特性非常有帮助。而且，作者还对“串扰”这一普遍存在的难题，进行了系统性的分析，从源头到接收端，剖析了各种串扰的产生机制，并提供了多种有效的抑制方法，如增加间距、使用屏蔽层、调整走线策略等。我感觉这本书就像一个经验丰富的导师，在指导我如何规避高速设计中的各种“陷阱”。我甚至觉得，这本书的内容，对于一些已经工作多年的工程师来说，也能够带来新的启发和思考。

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这本书的内容简直是让我脑洞大开！刚开始翻开时，我以为它会是一个循规蹈矩的技术手册，充斥着各种枯燥的公式和晦涩的术语。然而，作者以一种极其生动的方式，将那些原本可能令人望而却步的概念，描绘得栩栩如生。我最欣赏的是他对于“速度”这个核心概念的解读，不仅仅是简单的时钟频率提升，而是深入到信号的传播延迟、时序约束、以及如何在物理层面上优化电路布局，去尽可能地压缩每一纳秒的损耗。书中大量的图示和实际案例，让我仿佛置身于一个高速数字芯片的设计车间，亲眼见证着工程师们如何克服一个个技术难题。尤其是在讲解阻抗匹配和串扰抑制的部分，我之前一直觉得这是个玄乎的概念，但读完这本书，我终于有了醍醐灌顶的感觉。作者用了很多比喻，比如将信号线比作水管，将阻抗比作水流阻力，一下子就让那些复杂的电磁场理论变得通俗易懂。而且，书中还涉及到了各种高速接口的标准，如PCIe、USB3.0等，并对其设计上的挑战进行了深入剖析，让我对现代电子设备的背后运行机制有了更深刻的认识。总而言之，这本书不仅仅是关于“高速”，更是关于“如何实现高速”，其深度和广度都远远超出了我的预期，让我受益匪浅。

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我必须说，这本书的叙述风格简直像一位经验丰富的老前辈，娓娓道来，充满了智慧和洞察力。它没有一开始就抛出一大堆理论，而是从实际应用出发，通过一个个引人入胜的场景，逐渐引导读者进入高速数字设计的世界。我特别喜欢书中关于“信号完整性”的探讨，作者通过剖析不同类型的信号失真，如振铃、过冲、下冲等，详细阐述了它们对系统性能的影响，并提供了各种行之有效的解决方案。他提出的“眼图”分析方法，简直是为我打开了一扇窗，让我能够直观地评估信号的质量。而且，书中关于“时钟同步”的讲解也让我茅塞顿开。在高速系统中，时钟的抖动和相位噪声是致命的，作者用精辟的语言解释了这些问题的根源，并介绍了几种常用的时钟恢复和分布技术，例如PLL（锁相环）和CDR（时钟数据恢复）的原理，以及如何在实际设计中选择和应用它们。我还注意到，书中对PCB布局布线的优化建议也非常实用，比如如何进行差分对走线、如何合理地放置旁路电容，这些细节之处都体现了作者扎实的功底和丰富的实践经验。我感觉自己不仅仅是在阅读一本书，更像是在接受一次高质量的专业培训。

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这本书的深度和前瞻性令我惊叹！它不仅仅局限于现有的技术标准，而是对未来高速数字设计的发展趋势进行了深刻的洞察。作者对“串行通信”和“并行通信”的演进进行了梳理，并详细介绍了当前主流的高速串行接口，如SerDes（串行器/解串器）的工作原理和设计挑战。我特别关注书中关于“信号衰减”和“色散”的讨论，这些在长距离、高带宽传输中是至关重要的难题。作者不仅阐述了这些问题的根源，还介绍了诸如均衡（Equalization）等先进的信号处理技术，用于补偿信号在传输过程中的失真。此外，书中还探讨了“高速PCB材料”的选择对信号完整性的影响，包括介电常数、损耗因子等关键参数的选取原则，以及这些参数如何影响信号的传输速度和质量。我感觉这本书的作者，不仅仅是一个技术专家，更是一位思想家，他能够从宏观的角度把握行业的发展脉络，并对未来的技术方向做出预测。我强烈推荐这本书给任何想要深入理解高速数字设计领域的人，它一定会让你受益匪浅。

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三年前买的英文版 终于今年看了一遍 还是很经典的 以后还是要多看几遍

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