集成電路科學與工程導論

第 1 章 集成電路科學與工程發(fā)展史 1
1．1 第三次科技革命——走進信息時代 1
1．1．1 信息及其流動 1
1．1．2 信息處理工具發(fā)展簡史 2
1．1．3 集成電路背后的物理學基礎 3
1．2 從元器件到集成電路 4
1．2．1 電子管 4
1．2．2 晶體管 5
1．2．3 從晶體管到集成電路 5
1．3 數(shù)字集成電路 6
1．3．1 數(shù)字集成電路演進的摩爾定律 7
1．3．2 中央處理器的發(fā)展 9
1．3．3 存儲器的發(fā)展 11
1．3．4 集成電路設計工具 15
1．4 模擬集成電路 16
1．4．1 模擬電路的基本構成 16
1．4．2 各類模擬集成電路 17
1．4．3 模擬集成電路產(chǎn)業(yè) 18
1．5 集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 19
1．5．1 集成電路的生產(chǎn)流程 19
1．5．2 集成電路產(chǎn)業(yè)模式 20
本章小結 21
思考與拓展 21
參考文獻 22
第 2 章 集成電路關鍵材料 23
2．1 半導體材料概述 23
2．1．1 單質(zhì)半導體 23
2．1．2 雙原子化合物半導體 24
2．1．3 氧化物半導體 24
2．1．4 層狀半導體 25
2．1．5 有機半導體 25
2．1．6 磁性半導體 25
2．1．7 其他半導體材料 25
2．2 常見半導體的晶體結構 26
2．3 常見半導體的能帶結構 27
2．3．1 布里淵區(qū) 27
2．3．2 E-k 圖像 28
2．3．3 等能面 30
2．3．4 有效質(zhì)量 32
2．3．5 禁帶寬度 34
2．4 硅材料 35
2．4．1 硅材料的發(fā)現(xiàn)歷史 35
2．4．2 硅材料的應用 36
2．4．3 半導體硅的制備 38
2．4．4 應變硅材料 39
2．5 鍺材料 40
2．5．1 鍺材料的發(fā)現(xiàn)歷史 40
2．5．2 鍺材料的應用 41
2．6 砷化鎵材料 42
2．7 寬禁帶半導體 43
2．7．1 射頻應用中的寬禁帶材料 44
2．7．2 光電和照明行業(yè)中的寬禁帶材料 45
2．8 介電材料 45
2．8．1 介電原理 46
2．8．2 高介電材料 47
2．8．3 低介電材料 49
2．9 互連材料 50
2．9．1 鋁金屬互連材料 50
2．9．2 銅金屬互連材料 51
2．9．3 新型金屬互連材料 51
2．9．4 碳納米管互連材料 53
2．10 半導體發(fā)光材料 53
2．10．1 半導體的發(fā)光原理 53
2．10．2 常見的半導體發(fā)光材料 54
2．10．3 發(fā)光二極管 55
2．11 信息存儲材料 56
2．11．1 硅基存儲材料 57
2．11．2 磁存儲材料 58
2．11．3 阻變存儲材料 60
2．11．4 相變存儲材料 62
2．11．5 鐵電存儲材料 63
本章小結 64
思考與拓展 65
參考文獻 65
第 3 章 集成電路晶體管器件 69
3．1 晶體管器件概述 69
3．1．1 晶體管的基本功能 69
3．1．2 晶體管的基本結構 70
3．1．3 場效應晶體管的發(fā)展歷程 70
3．2 金屬氧化物半導體場效應晶體管技術 71
3．2．1 金屬氧化物半導體場效應晶體管的分類 71
3．2．2 金屬氧化物半導體場效應晶體管的結構 72
3．2．3 金屬氧化物半導體場效應晶體管的特性 73
3．2．4 互補型金屬氧化物半導體場效應晶體管 75
3．2．5 按比例縮小定律 76
3．3 絕緣體上晶體管技術 77
3．3．1 絕緣體上晶體管技術的背景 77
3．3．2 藍寶石上硅技術 78
3．3．3 絕緣體上硅技術 79
3．3．4 絕緣體上硅器件的優(yōu)勢及挑戰(zhàn) 81
3．4 三維晶體管技術 82
3．4．1 平面金屬氧化物半導體場效應晶體管的挑戰(zhàn) 82
3．4．2 鰭式場效應晶體管 83
3．4．3 環(huán)柵場效應晶體管 86
3．4．4 互補型場效應晶體管 88
3．5 其他類型晶體管器件 89
3．5．1 高電子遷移率晶體管 90
3．5．2 低維材料場效應晶體管 92
3．5．3 自旋邏輯器件 95
3．5．4 隧穿場效應晶體管 97
本章小結 99
思考與拓展 99
參考文獻 99
第 4 章 集成電路工藝設備 105
4．1 集成電路工藝設備基礎 105
4．1．1 真空技術基礎 105
4．1．2 薄膜技術基礎 107
4．1．3 相關物理和化學基礎 107
4．2 薄膜沉積設備 110
4．2．1 物理氣相沉積設備 110
4．2．2 化學氣相沉積設備 118
4．2．3 其他薄膜沉積設備 122
4．3 圖形制作設備 122
4．3．1 光學曝光設備 122
4．3．2 電子束光刻設備 130
4．3．3 其他圖形制作設備 132
4．4 圖形刻蝕設備 134
4．4．1 常用的圖形轉(zhuǎn)移方法 134
4．4．2 反應離子刻蝕設備 136
4．4．3 電感耦合等離子體刻蝕設備 137
4．4．4 離子束刻蝕設備 137
4．4．5 濕法刻蝕設備 140
4．4．6 其他刻蝕設備 141
4．5 集成電路表征及測試設備 141
4．5．1 表征設備 141
4．5．2 測試設備 144
本章小結 146
思考與拓展 146
參考文獻 147
第 5 章 集成電路制造工藝 150
5．1 傳統(tǒng)互補型金屬氧化物半導體制造工藝 150
5．1．1 互補型金屬氧化物半導體制造工藝簡介 150
5．1．2 互補型金屬氧化物半導體制造工藝流程 150
5．2 新型互補型金屬氧化物半導體制造工藝 157
5．2．1 絕緣體上硅工藝 157
5．2．2 鰭式場效應晶體管工藝 160
5．2．3 環(huán)柵場效應晶體管工藝 162
5．2．4 硅通孔技術 163
5．3 先進集成電路制造工藝技術 165
5．3．1 多重圖形技術 165
5．3．2 混合刻蝕技術 168
5．3．3 新型互連工藝技術 171
5．4 三維堆疊技術 172
5．4．1 存儲陣列的三維堆疊技術 172
5．4．2 控制電路和存儲單元垂直堆疊技術 174
5．4．3 Xtacking 堆疊技術 176
5．4．4 芯粒技術 178
本章小結 182
思考與拓展 182
參考文獻 182
第 6 章 大規(guī)模數(shù)字集成電路 185
6．1 數(shù)字集成電路基礎 185
6．1．1 組合邏輯電路與時序邏輯電路 186
6．1．2 同步邏輯電路與異步邏輯電路 190
6．1．3 靜態(tài)邏輯電路與動態(tài)邏輯電路 192
6．2 數(shù)字集成電路設計方法概述 194
6．2．1 基于門陣列的半定制電路 196
6．2．2 基于標準單元的半定制電路 198
6．2．3 可重構計算電路 199
6．3 中央處理器 201
6．3．1 中央處理器的功能和組成 202
6．3．2 中央處理器的分層模型與指令集架構 204
6．3．3 經(jīng)典指令集架構簡介 210
6．3．4 中央處理器的發(fā)展趨勢 216
6．4 圖形處理器 217
6．4．1 三維圖形處理流程 218
6．4．2 圖形處理器的組成與架構 219
6．4．3 主流圖形處理器介紹 220
6．4．4 圖形處理器的發(fā)展趨勢 222
6．5 類腦計算芯片 222
6．5．1 類腦計算芯片的發(fā)展機遇及挑戰(zhàn) 223
6．5．2 深度學習處理器 224
6．5．3 神經(jīng)形態(tài)芯片 227
6．6 片上系統(tǒng) 228
6．6．1 片上系統(tǒng)概述 229
6．6．2 可復用 IP 核 230
6．6．3 片上系統(tǒng)實例 231
本章小結 233
思考與拓展 233
參考文獻 234
第 7 章 大規(guī)模模擬及通信集成電路 236
7．1 基本模擬集成電路 236
7．1．1 MOSFET 器件放大原理 237
7．1．2 運算放大器 238
7．1．3 其他常見模擬集成電路 243
7．1．4 模擬集成電路的設計流程 245
7．1．5 模擬集成電路未來的發(fā)展與挑戰(zhàn) 246
7．2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器 247
7．2．1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 247
7．2．2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 250
7．2．3 常用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分類 252
7．2．4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢 259
7．3 通信集成電路 259
7．3．1 4G 通信集成電路 259
7．3．2 5G 通信集成電路 263
7．3．3 WiFi 通信集成電路 269
本章小結 273
思考與拓展 274
參考文獻 274
第 8 章 先進存儲器技術 278
8．1 存儲器概述 278
8．1．1 存儲器的主要指標和架構 278
8．1．2 存儲器的分類 280
8．2 半導體存儲器 280
8．2．1 靜態(tài)隨機存取存儲器 281
8．2．2 動態(tài)隨機存取存儲器 285
8．2．3 可編程只讀存儲器 293
8．2．4 閃速存儲器 294
8．3 新型非易失性存儲器 302
8．3．1 磁性隨機存取存儲器 302
8．3．2 阻變隨機存取存儲器 306
8．3．3 相變存儲器 308
8．3．4 鐵電隨機存取存儲器 312
8．4 存儲器在計算中的應用 314
8．4．1 存算一體技術概述 314
8．4．2 數(shù)字存算一體技術 315
8．4．3 模擬存算一體技術 318
本章小結 320
思考與拓展 320
參考文獻 320
第 9 章 先進傳感器技術 324
9．1 傳感器簡介 324
9．1．1 傳感器概述 324
9．1．2 傳感器的分類及特點 326
9．1．3 常見傳感原理 326
9．2 微機電系統(tǒng)傳感器 330
9．2．1 微機電系統(tǒng)的定義 330
9．2．2 微機電系統(tǒng)技術的發(fā)展歷史 331
9．2．3 微機電系統(tǒng)傳感器的應用領域 332
9．3 微機電系統(tǒng)傳感器的設計 335
9．3．1 微機電系統(tǒng)傳感器的設計理論 335
9．3．2 微機電系統(tǒng)傳感器的設計流程與方法 340
9．3．3 微機電系統(tǒng)傳感器的設計與仿真軟件 342
9．4 微機電系統(tǒng)傳感器的制程 343
9．4．1 微機電系統(tǒng)傳感器材料 343
9．4．2 微機電系統(tǒng)傳感器的加工工藝 345
9．5 主流微機電系統(tǒng)傳感器 348
9．5．1 聲學應用：微機電系統(tǒng)傳聲器 348
9．5．2 光學應用：紅外熱電堆檢測傳感器 350
9．5．3 電學應用：微機電系統(tǒng)加速度計 351
9．6 新型傳感器技術 352
9．6．1 磁學傳感器 353
9．6．2 醫(yī)工交叉?zhèn)鞲衅?355
本章小結 357
思考與拓展 358
參考文獻 358
第 10 章 集成電路設計自動化技術 362
10．1 電子設計自動化技術簡介 362
10．1．1 電子設計自動化技術的起源 363
10．1．2 電子設計自動化技術的發(fā)展現(xiàn)狀 363
10．1．3 常用工具及分類 366
10．2 模擬集成電路設計自動化 367
10．2．1 庫文件與器件模型 368
10．2．2 電路設計與仿真 372
10．2．3 版圖設計與驗證 375
10．3 數(shù)字集成電路設計自動化 381
10．3．1 設計流程概述 381
10．3．2 RTL 設計 383
10．3．3 邏輯綜合 385
10．3．4 物理設計 386
10．4 基于人工智能的 EDA 技術 395
本章小結 396
思考與拓展 396
參考文獻 396
中英文術語對照表 398