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本教材第3版曾获首届全国教材建设奖全国优秀教材二等奖。本书是"十二五”普通高等教育本科国家级规划教材和普通高等教育"十一五”国家级规划教材，全书遵循集成电路设计的流程，介绍集成电路设计的一系列知识。全书共12章，主要内容包括：集成电路设计概述，集成电路材料、结构与理论，集成电路基本工艺，集成电路器件工艺，MOS场效应管的特性，集成电路器件及SPICE模型，SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法，集成电路版图设计与工具，模拟集成电路基本单元，数字集成电路基本单元与版图，集成电路数字系统设计基础，集成电路的测试和封装。本书提供配套微课视频、电子课件、Cadence公司授权的PSPICE学生版安装软件、HSPICE和PSPICE两种仿真工具的电路实例设计包、集成电路版图设计示范视频等。

目    录
第1章  集成电路设计概述	1
1.1  集成电路的发展	1
1.2  集成电路设计流程及设计环境	4
1.3  集成电路制造途径	5
1.4  集成电路设计的知识范围	6
思考题	7
第2章  集成电路材料、结构与理论	8
2.1  集成电路材料	8
2.1.1  硅	9
2.1.2  砷化镓	9
2.1.3  磷化铟	10
2.1.4  锗硅	10
2.1.5  氮化镓	10
2.1.6  绝缘材料	11
2.1.7  金属材料	11
2.1.8  多晶硅	13
2.1.9  材料系统	13
2.2  半导体基础知识	14
2.2.1  半导体的晶体结构	14
2.2.2  本征半导体与杂质半导体	14
2.3  PN结与结型二极管	15
2.3.1  PN结的扩散与漂移	15
2.3.2  PN结型二极管	16
2.3.3  肖特基结二极管	16
2.3.4  欧姆型接触	17
2.4  双极型晶体管	17
2.4.1  双极型晶体管的基本结构	17
2.4.2  双极型晶体管的工作原理	18
2.5  MOS场效应晶体管	18
2.5.1  MOS场效应晶体管的基本结构	18
2.5.2  MOS场效应晶体管的工作原理	20
2.5.3  MOS场效应晶体管的伏安特性	20
思考题	24
本章参考文献	24


第3章  集成电路基本工艺	26
3.1  外延生长	26
3.2  掩模版的制造	27
3.3  光刻原理与流程	29
3.3.1  光刻步骤	29
3.3.2  曝光方式	30
3.4  氧化	31
3.5  淀积与刻蚀	32
3.6  掺杂原理与工艺	33
思考题	34
本章参考文献	35
第4章  集成电路器件工艺	36
4.1  双极型集成电路的基本制造工艺	37
4.1.1  双极型硅工艺	37
4.1.2  HBT工艺	38
4.2  MESFET和HEMT工艺	40
4.2.1  MESFET工艺	40
4.2.2  HEMT工艺	41
4.3  MOS和相关的VLSI工艺	43
4.3.1  PMOS工艺	44
4.3.2  NMOS工艺	45
4.3.3  CMOS工艺	48
4.4  BiCMOS工艺	50
思考题	53
本章参考文献	53
第5章  MOS场效应管的特性	54
5.1  MOS场效应管	54
5.1.1  MOS管伏安特性的推导	54
5.1.2  MOS电容的组成	55
5.1.3  MOS电容的计算	57
5.2  MOSFET的阈值电压VT	58
5.3  体效应	60
5.4  MOSFET的温度特性	60
5.5  MOSFET的噪声	61
5.6  MOSFET尺寸按比例缩小	61
5.7  MOS器件的二阶效应	64
5.7.1  L和W的变化	64
5.7.2  迁移率的退化	66
5.7.3  沟道长度的调制	66
5.7.4  短沟道效应引起的阈值电压的变化	67
5.7.5  狭沟道效应引起的阈值电压的变化	67
思考题	68
本章参考文献	68
第6章  集成电路器件及SPICE模型	69
6.1  无源器件结构及模型	69
6.1.1  互连线	69
6.1.2  电阻	70
6.1.3  电容	72
6.1.4  电感	73
6.1.5  分布参数元件	75
6.2  二极管电流方程及SPICE模型	78
6.2.1  二极管的电路模型	78
6.2.2  二极管的噪声模型	79
6.3  双极型晶体管电流方程及SPICE模型	79
6.3.1  双极型晶体管的EM模型	80
6.3.2  双极型晶体管的GP模型	82
6.4  结型场效应JFET ( NJF/PJF ) 模型	83
6.5  MESFET（NMF/PMF）模型（SPICE3.x）	83
6.6  MOS管电流方程及SPICE模型	84
思考题	87
本章参考文献	87
第7章  SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法	88
7.1  采用SPICE的电路设计流程	88
7.2  电路元件的SPICE输入语句格式	89
7.3  电路特性分析语句	94
7.4  电路特性控制语句	96
7.5  HSPICE缓冲驱动器设计实例	98
7.6  HSPICE跨导放大器设计实例	101
7.7  PSPICE电路图编辑器简介	113
7.8  PSPICE缓冲驱动器设计实例	115
7.9  PSPICE跨导放大器设计实例	119
思考题	124
本章参考文献	124
第8章  集成电路版图设计与工具	125
8.1  工艺流程的定义	125
8.2  版图几何设计规则	126
8.3  图元	129
8.3.1  MOS晶体管	129
8.3.2  集成电阻	131
8.3.3  集成电容	133
8.3.4  寄生二极管与三极管	134
8.4  版图设计准则	135
8.4.1  匹配设计	136
8.4.2  抗干扰设计	140
8.4.3  寄生优化设计	141
8.4.4  可靠性设计	142
8.5  电学设计规则与布线	144
8.6  基于Cadence平台的全定制IC设计	145
8.6.1  版图设计的环境	145
8.6.2  原理图编辑与仿真	146
8.6.3  版图编辑与验证	150
8.6.4  CMOS差动放大器版图设计实例	152
8.7  芯片的版图布局	154
8.8  版图设计的注意事项	156
思考题	157
本章参考文献	157
第9章  模拟集成电路基本单元	158
9.1  电流源电路	158
9.1.1  双极型镜像电流源[1]	158
9.1.2  MOS电流镜	160
9.2  基准电压源设计	161
9.2.1  双极型三管能隙基准源[3]	161
9.2.2  MOS基准电压源[2]	162
9.3  单端反相放大器	163
9.3.1  基本放大电路[2]	163
9.3.2  改进的CMOS推挽放大器[2]	167
9.4  差分放大器	168
9.4.1  BJT差分放大器	168
9.4.2  MOS差分放大器	169
9.4.3  CMOS差分放大器设计实例	170
9.5  运算放大器	172
9.5.1  性能参数	172
9.5.2  套筒式共源共栅运放[4]	173
9.5.3  折叠式共源共栅运放[4]	175
9.5.4  两级运放[4]	177
9.5.5  CMOS运算放大器设计实例	178
9.6  振荡器	187
9.6.1  环形振荡器	187
9.6.2  LC振荡器	191
思考题	193
本章参考文献	194
第10章  数字集成电路基本单元与版图	195
10.1  TTL基本电路	195
10.1.1  TTL反相器	195
10.1.2  TTL与非门	196
10.1.3  TTL或非门	197
10.2  CMOS基本门电路及版图实现	197
10.2.1  CMOS反相器	197
10.2.2  CMOS与非门和或非门	205
10.2.3  CMOS传输门和开关逻辑	207
10.2.4  三态门	209
10.2.5  驱动电路	210
10.3  数字电路标准单元库设计	211
10.3.1  基本原理	211
10.3.2  库单元设计	211
10.4  焊盘输入/输出单元	213
10.4.1  输入单元	213
10.4.2  输出单元	214
10.4.3  输入/输出双向三态单元（I/O PAD）	220
10.5  了解CMOS存储器[5]	221
10.5.1  动态随机存储器（DRAM）	223
10.5.2  静态随机存储器（SRAM）	227
10.5.3  闪存	229
思考题	231
本章参考文献	231
第11章  集成电路数字系统设计基础	232
11.1  数字系统硬件描述语言	232
11.1.1  基于HDL语言的设计流程	232
11.1.2  Verilog HDL语言介绍	234
11.1.3  硬件描述语言VHDL	243
11.2  数字系统逻辑综合与物理实现	249
11.2.1  逻辑综合的流程	251
11.2.2  Verilog HDL与逻辑综合	255
11.2.3  自动布局布线	258
11.3  数字系统的FPGA/CPLD硬件验证	262
11.3.1  PLD概述	262
11.3.2  现场可编程门阵列FPGA	262
11.3.3  基于FPGA的数字系统硬件验证	265
思考题	266
本章参考文献	266


第12章  集成电路的测试和封装	267
12.1  集成电路在芯片测试技术	267
12.2  集成电路封装形式与工艺流程	268
12.3  芯片键合	270
12.4  高速芯片封装	272
12.5  混合集成与微组装技术	273
12.6  数字集成电路测试方法	273
12.6.1  可测试性的重要性	273
12.6.2  测试基础	274
12.6.3  可测试性设计	275
思考题	277
本章参考文献	277

前    言
本教材第3版曾获首届全国教材建设奖全国优秀教材二等奖。本书是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材和普通高等教育“十一五”国家级规划教材。
随着集成电路制造工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路技术的发展呈现部分新的特征。集成电路芯片的工作速度不断提高，电路复杂度不断增加，电路结构随着电源电压的降低也随之调整。针对这种情况，我们对2013年7月出版的《集成电路设计（第3版）》进行了重新修订，新版在体系结构上保留了原书的特色，力求结合当前集成电路技术的发展动态，增加教材的新颖性和实用性。与第3版相比，本书介绍当前最先进的集成电路工艺，以及近年来我国集成电路产业的发展与面临的新问题，为读者提供了集成电路设计从前端、版图、流片到封装和测试的完整流程中的相关知识。
具体修订内容如下：
① 第1章在集成电路的发展部分引入了当前先进的集成电路工艺和产品的发展情况；介绍了当前先进工艺所实现的集成电路规模和速度，以及为提升集成度和降低制造成本而发展出的片上互连和芯片堆叠等新方法；总结了当前集成电路发展呈现的新趋势与应用领域。在集成电路制造途径部分，介绍了我国近年来的集成电路制造产生情况。
② 第2章在集成电路材料部分，增加了锗硅工艺和氮化镓等新型工艺的介绍；在MOS晶体管部分，补充了先进CMOS工艺中广泛采用的新型鳍型晶体管（FinFET）的结构和工作原理。
③ 随着集成电路制造工艺的发展，集成电路器件能够达到的工作频率越来越高，因此第4章集成电路器件部分更新了相关数据介绍。
④ 对第3版的部分勘误进行了修订。
为了方便读者对本书的仿真实例进行练习，本教材配套了Cadence公司提供的PSPICE学生版软件、HSPICE和PSPICE两种仿真工具的电路实例（第7章）、集成电路版图设计示范视频（第8章）、微课视频和教师教学用电子课件（PPT）。请扫描下方二维码在线学习。部分教学资源也可以登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）注册下载。
本书可作为集成电路、微电子、电子信息、电子科学与技术、计算机等专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，也可作为集成电路设计工程师的参考用书。
本书的修订大纲与内容由王志功组织并审定，由陈莹梅主持编写，Cadence公司中国区AE总监陈春章博士对PSPICE软件的授权提供进行了大力支持，东南大学射频与光电集成电路研究所的研究生宰大伟为PSPICE软件实例做了部分前期工作。电子工业出版社的王羽佳编辑在组织出版和编辑工作中给予了很大的支持。多年来，广大读者和兄弟院校教师对本书提出的批评和建议，对我们有很大的帮助和促进。在此对以上各方人士表示衷心的感谢！并恳请读者对本书继续批评和指正。
                                                            编著者
                                                      2023年5月于东南大学

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集成电路设计（第4版）