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| 內容簡介： |
本书以CMOS的最小构成电路反相器为焦点，介绍CMOS器件的特点、结构、设计规则及制造方法。以标准逻辑电路为例，介绍了组合逻辑电路、时序逻辑电路的定义、基本电路结构及其应用举例。进而，介绍了接口的技巧和目前备受关注的模拟技术等。本书还涉及大规模集成电路（LSI）的话题，介绍其分类及发展趋势，以及ASIC和存储器的基本技术。
本书可供半导体制造行业的技术人员阅读，也可供电子等相关专业师生参考。
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| 關於作者： |
大幸秀成
1982年毕业于爱媛大学电气工程专业，进入东京芝浦电气株式会社（现在的东芝）半导体事业本部，从事CMOS技术的标准逻辑工作。致力于推进日本与欧美厂商的产品共同开发及全球标准化。现在依然从事和CMOS相关的产品开发及技术市场工作。
主要著作：
《基本·C-MOS標準ロジックIC活用マスタ》（CQ出版社）
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| 目錄：
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第1章 CMOS器件的现状
1.1 半导体器件的分类
1.2 CMOS器件的特征
1.3 CMOS产品的种类和特点
第2章 CMOS的结构
2.1 CMOS的结构
2.2 设计规则
2.3 CMOS的制造工程
2.3.1 衬底材料的制作
2.3.2 前工序
2.3.3 后工序
第3章 CMOS的基本特性与逻辑电路的基本结构
3.1 CMOS的基本特性
3.1.1 N-ch MOS FET的特性表达式
3.1.2 P-ch MOS FET的特性表达式
3.1.3 CMOS反相器的特性
3.1.4 逻辑阈值电压
3.1.5 过渡区中的输出电压
3.1.6 电阻近似
3.2 CMOS的特点
3.2.1 功率消耗小
3.2.2 能够在低电压下工作工作电压范围宽
3.2.3 噪声余量大
3.2.4 容易集成化
3.2.5 输入阻抗高
3.2.6 基于输入电容的初次记忆
3.3 基本逻辑电路
3.4 正逻辑与负逻辑
3.5 基本电路
3.5.1 反相器
3.5.2 NAND门
3.5.3 NOR门
3.5.4 AND,OR门
3.5.5 传输门
3.5.6 时钟脉冲门
3.5.7 Exclusive ORNOR门
3.5.8 触发器
3.6 CMOS的保护电路
3.6.1 输入保护电路
3.6.2 输出的保护
3.6.3 电源GND浮动时的保护
第4章 CMOS器件的种类与特征
4.1 CMOS标准逻辑
4.1.1 双极逻辑的诞生
4.1.2 CMOS逻辑的诞生
4.2 74***型的魅力
4.2.1 BiCMOS逻辑的特征
4.2.2 ECL的特征
4.2.3 ASIC的问世与标准逻辑的需要
4.2.4 单门逻辑的诞生
4.2.5 低电压化的趋势
4.2.6 封装的发展趋势
4.3 存储器
4.3.1 ROM
4.3.2 RAM
4.4 ASIC的种类与特征
4.4.1 ASIC化的潮流
4.4.2 半定制
4.4.3 PLD
4.4.4 门阵列
4.4.5 标准单元
4.4.6 全定制LSI
4.5 半定制LSI的设计方法
第5章 标准逻辑IC的功能与使用方法
5.1 组合逻辑电路
5.1.1 门电路
5.1.2 门电路的应用举例
5.1.3 特殊门电路
5.1.4 开路漏极
5.1.5 模拟开关
5.1.6 总线缓冲器
5.1.7 双向总线缓冲器
5.1.8 总线缓冲器与总线的连接
5.1.9 多路转换器逆多路转换器选择器
5.1.10 在多变数1输出逻辑电路中的应用
5.1.11 译码器编码器
5.1.12 使用译码器的CPU周边LSI的选择
5.2 时序逻辑电路
5.2.1 锁存器
5.2.2 锁存器的应用举例
5.2.3 总线数据的暂存记忆
5.3 触发器
5.3.1 触发器的动作
5.3.2 触发器的应用举例
5.3.3 总线的数据分配和保持电路
5.3.4 计数器
5.3.5 计数器的串级连接举例
5.3.6 移位寄存器
5.3.7 移位寄存器的应用举例
5.3.8 单稳多谐振荡器
5.3.9 单稳多谐振荡器的应用举例
第6章 CMOS逻辑IC的特性
6.1 CMOS器件的接口
6.2 CMOS器件的标准接口
6.2.1 CMOS的输入输出特性
6.2.2 CMOS电平与TTL电平
6.2.3 CMOS电平的趋势
6.3 接口的专门技术
6.3.1 扇出端数
6.3.2 三态输出与输出冲突
6.3.3 上冲下冲,反射,激振噪声
6.3.4 线连“或”电路与从低电压向高电压的电平变换
6.4 电压变换接口
6.4.1 从高电压向低电压变换的接口
6.4.2 输出的容忍功能
6.4.3 从低电压向高电压变换的接口
6.4.4 高→低低→高双向电压变换接口
6.5 冒险
6.5.1 冒险引起的故障
6.5.2 晶体管与CMOS逻辑的接口
6.5.3 高速接口单端与差动传送概要
6.5.4 单端
6.5.5 差动传送异动
第7章 CMOS器件的失效模式
7.1 器件自身的失效
7.1.1 早期失效
7.1.2 偶然失效
7.1.3 耗损失效
7.2 失效模式
7.3 外来因素引起的失效
7.3.1 ESD造成的损伤
7.3.2 闩锁造成的损伤
第8章 器件模拟与传输模拟
8.1 SPICE与IBIS
8.1.1 SPICE
8.1.2 IBIS
8.1.3 IMIC
8.2 LSI设计流程
8.3 基于SPICE的器件电路模拟
8.3.1 器件模拟
8.3.2 电路模拟
8.3.3 SPICE模拟器的功能
8.4 传输模拟
8.4.1 数字信号的误解
8.4.2 信号完整的基础——方波是危险的
8.4.3 传输信号的高速化技巧
8.4.4 传输线的等效电路
8.4.5 基于IBIS的传输模拟
8.4.6 EMI的法规
参考文献
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| 內容試閱：
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第1章 CMOS器件的现状
1．1 半导体器件的分类
半导体器件是一种电子部件。运用几微米至几十纳米1） 的所谓微细的器件制造技术与设计规则，对世界上所有的电子设备的集成化、多功能化、高品质化、小型化以及低成本化作出了重要贡献。这种半导体技术的发展，并未因电子设备的更高需求而止步。
可以像表1.1那样对半导体器件进行分类。表征这些半导体器件集成度的指标是器件数（晶体管数目）。从几百万个器件集成在一个固体组件（LSI芯片）上的系统LSI微处理器存储器定制LSI，到几万至几百万个器件的专用ICLSI，几十至几千个器件的通用逻辑IC通用线性IC，以及几百个器件以下的分立器件光半导体器件等，种类繁多。
半导体器件中，将众多电路集成起来的叫做集成电路集成器件，称为IC（IntegratedCircuit）或者LSI（LargeScaleIntegratedCircuit）。图1.1示出半导体器件的集成化的发展情况。
半导体器件大致可分为两种电路制造技术。
（1）双极电路制造技术。
（2）MOS电路制造技术。
这两种技术中，有双极被MOS所取代的倾向。这是因为后者在电气性能（功率消耗、低电压工作等）、制造成本及电路制造技术的标准化（适于大量生产不同品种的产品）等方面具有优势。
1） 1μm ＝ 10 -6 m，1nm＝10-9 m 。
第1章 CMOS器件的现状表1.1 半导体器件的种类
系统LSI（SoC） 将微处理器、存储器、模拟、数字等各种半导体器件集成在一个芯片上
微处理器（数字LSI） CISC（复杂指令集?计算机） RISC（精简指令集?计算机）
存储器 RAM（RandomAccessMemory） ROM（ReadOnlyMemory）
定制LSI（数字LSI） 全定制，门阵列，PLD（ProgrammableLogicDevice）
专用ICLSI（模拟?数字LSI） 影像用IC，音响用IC，通信用IC，特定用途IC
通用逻辑IC（数字IC） TTL，CMOS
通用线性IC（模拟IC） OP放大器，比较器，调节器，驱动器IC
光电半导体器件 LED，半导体激光器，光耦合器，CCD，CMOS传感器
晶体管（分立器件） 双极晶体管，FET，GaAs晶体管
二极管（分立器件） 整流二极管，肖特基势垒二极管，稳压二极管
图1.1 半导体器件的集成化发展集成度高的器件，应用在数字信号的高速信号处理及运算处理，记忆大量信息的存储器等方面。集成度低的器件分立器件，应用于处理大功率的电源和保护电路，发送和接收高效率且具有良好噪声特性的电波的高频电路，以及传
1.2 CMOS器件的特征
感器和光源等方面。
在数字器件与模拟器件两者之间，还有把从传感器之类接收到的模拟信号用数字信号进行处理、输出的模拟-数字变换器件，以及把来自微处理器等的数字信号变换为模拟信号，用来控制电动机、继电器之类的数字-模拟变换器件。一般来说，这些器件由于难以通用化和标准化，通常是按照用户的要求进行设计和制造，往往不是定制LSI。
半导体器件也可以像图1.2那样按器件制造（工艺技术）分类。半导体器件的衬底材料主要有单质半导体硅和化合物半导体。硅半导体占了半导体器件的大部分，按制造技术可以分类为CMOS、双极、Bi-CMOS。GaAs等化合物半导体器件与硅半导体器件相比，能够更高速地处理信号，不过衬底材料的价格高，因此，通常作为电波的发射、接收等方面的特殊器件使用。
图1.2 半导体器件按工艺技术分类
1.2 CMOS器件的特征
CMOS器件具有消耗功率少、能够在低电压下工作、噪声余量大等优点。现在，CMOS器件技术的进步已经肩负着半导体器件发展的重任。如图1.1所示，CMOS器件的前身MOS器件（N-MOS，P-MOS）在1970年诞生时，应用在液晶显示的台式电子计算机和钟表方面。能够用干电池长时间驱动的电子设备才刚刚问世。
MOS器件进化到CMOS，才开始与使用电池的手提式电子设备的发展建立起密切的关系。到了1980年，开始应用在文字处理机、无线电话、录像机、照相机中。1990年，笔记本电脑出现，2000年片上系统（SoC）出现，从便携式电话、数码照相机开始，不仅是移动式设备，几乎所有电子设备都采用了CMOS。
第1章 CMOS器件的现状
照片1.1显示出笔记本电脑中使用的各印制电路板。它由微型计算机核心处理器，存储器，定制LSI，专用LSI，标准逻辑，晶体管、二极管（分立），电源IC组成。
如从照片上看到的那样，半导体器件被黑色树脂所覆盖，只露出若干管脚引线（电极）。最近的超小型封装中，从上面看不到引线，它隐蔽在树脂下面。
照片1.1 电脑中的印制电路板的例子
照片1.2显示的是苹果公司的便携式电话iPhone的印制电路板。上面搭载着：片上系统（SoC）核心处理器，基带处理器，存储器，专用模拟LSI，标准逻辑，晶体管（分立），电源IC等。
这个基板，分为发射接收电波的电路模块和进行模拟数字信号处理的电路模块。细小的电子部件配置在狭窄的空间里。与笔记本电脑相比，它已经进入更高的集成度和小型封装。但是，仍然使用了标准逻辑和分立器件。
便携式电话的小型化是必然的趋势，它对半导体器件的小型化、薄型化提出了更高的要求。它所使用的大部分半导体器件，已经不能从上面确认电极
1.2 CMOS器件的特征
引线，它采用将引线隐藏在树脂下面的无引线封装（LeadlessPackage）和球栅阵列封装（BGA）。
照片1.2 便携式电话的印制电路板例子表1.2归纳出CMOS器件的优点和缺点。第一优点就是省电。即使接上
电源，不工作时的消耗电流（静态消耗电流）也非常小，当工作电源电压低时也具有高速响应能力。在以笔记本电脑、便携式电话的微处理器为开端的大规模集成电路中，一般都能够在1.8V以下的低电压下工作，也能平行地进行高速
数据处理。
CMOS器件能够获得大的噪声余量，不容易在外来噪声影响下发生误动作。所以，在追求可靠性的重要的产业设备、交通领域、生活基础设施等领域，从1980年以后得到大量应用。
从制造厂家的角度看，也是非常重要的。CMOS器件擅长处理数字信号。它的逻辑电路部分，即使进入制造技术的微细化，过去已有的资产也能有效地得到应用。如果汇集设计基准和制造技术的关键技术，就能够进一步扩展各种功能和性能，有效推动各种产品在世界各地的标准化以及制造厂家之间的有效协作，从而低成本、大批量地满足市场需求。
CMOS器件的缺点是静电损坏、闩锁现象和响应速度慢。这些课题可以从
第1章 CMOS器件的现状
电路设计版图设计技术、制造技术、保护电路技术等多方面得到克服。近年来，又出现一些新的大课题，如高速器件中特有的噪声的产生、噪声引起的误动作等。
另外，伴随着设计规则的微细化，器件的耐压下降。1.8V驱动的LSI中，就连一般的电子设备所使用的5V电压，如果直接加上去，都会引起器件的劣化或损坏。在CMOS器件性能提高的同时，器件的使用者对于这些新出现的缺点，需要有清楚的认识和把握。
表1.2 CMOS器件的优缺点
优 点 缺 点
功率消耗低（省电） 抗静电能力弱
工作电压低 闩锁现象
噪声余量大（抗噪声能力强）
高集成化、标准化（质量、成本）
1.3 CMOS产品的种类和特点
如图1.3所示，CMOS产品大致可以分为逻辑IC、模拟（线性）IC和存储器。逻辑IC中包括标准逻辑IC、PLD（ProgrammableLogicDevice，可编程逻辑器件）、ASIC（ApplicationSpecificIC，专用集成电路）定制LSI、专用IC、微处理器、DSP（DigitalSignalProcessor，数字信号处理器），以及系统LSI等。
图1.3 CMOS产品的大分类模拟IC中，有OP放大器、比较器、A-D（Analog-Digital）变换器、D-A变换器、电源电路等的单体的通用模拟IC，以及与数字电路组合使用的专用IC电路。存储器大体上可以分类为不挥发性存储器（ROM：ReadOnlyMemory）和挥发性存储器（RAM：RandomAccessMemory），还可以进一步按功能和性能做更细致的分类。这里仅按功能和性能分类介绍逻辑IC与存储器。关于模拟IC，不管是通
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