Device Electronics for Integrated Circuits pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons

作者:Richard S. Muller

出品人:

页数:550

译者:

出版时间:2002-10-14

价格:USD 188.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471593980

丛书系列:

图书标签:

Device Electronics
Integrated Circuits
Semiconductor Devices
Microelectronics
Physics
Engineering
Solid State Electronics
MOSFETs
BJTs
Device Modeling

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具体描述

Focusing specifically on silicon devices, the Third Edition of Device Electronics for Integrated Circuits takes students in integrated-circuits courses from fundamental physics to detailed device operation. Because the book focuses primarily on silicon devices, each topic can include more depth, and extensive worked examples and practice problems ensure that students understand the details.

芯片设计与集成电路工程新视野：超越硅基的未来本书并非《集成电路器件电子学》（Device Electronics for Integrated Circuits）的替代品或重复介绍，而是站在现有集成电路（IC）技术和器件物理理解的基础上，深入探索前沿、跨界及颠覆性技术在下一代微纳电子系统中的应用与挑战。本书旨在为资深工程师、研究人员以及高年级研究生提供一个广阔的视角，聚焦于后摩尔时代如何通过材料科学、新型器件结构、先进制造工艺以及系统级创新来实现性能的质的飞跃。 --- 第一部分：超越传统CMOS的材料与器件前沿本部分着重探讨硅基CMOS技术所面临的物理极限，并详细剖析新兴的半导体材料和新型晶体管结构如何有望在超低功耗、高速度和高集成度方面实现突破。第一章：二维材料的电子学潜力与挑战本章将系统梳理石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs，如 $ ext{MoS}_2, ext{WSe}_2$）以及黑磷等二维（2D）材料的本征电子特性。重点讨论如何克服这些材料在宏观制备、界面控制以及电学接触方面的主要障碍。内容包括： 1. 载流子迁移率与亚阈刻度因子（SS）的优化：探讨如何通过掺杂、栅极工程和异质结构建来调控二维材料的费米能级和能带结构，以实现低于$60 ext{mV}/ ext{decade}$ 的亚阈值摆幅。 2. 隧道场效应晶体管（TFETs）的物理极限与设计：深入分析TFETs作为超低功耗逻辑器件的原理，包括带间隧穿（IBT）和直接带隙隧穿机制。详细讨论其输出电流密度与击穿电压之间的权衡，并对新型量子点增强型TFETs进行建模。 3. 二维材料在存储器应用中的潜力：侧重于忆阻器（RRAM）和电荷陷阱存储器中二维材料作为活性层或阻挡层的应用，分析其开关速度、保持时间和耐久性。第二章：铁电体与多铁性材料的非易失性逻辑本章关注利用材料的自发极化特性实现非易失性逻辑（NVL）和存储单元。 1. 铁电场效应晶体管（FeFETs）的驱动机制：详细解释铁电畴翻转对沟道电荷的调制作用，并对比传统浮栅（Floating Gate）结构的优势与劣势。讨论久经验证的 $ ext{HfO}_2$-基铁电薄膜的制备工艺控制（如退火温度、电极材料选择）。 2. 多铁性材料的耦合效应：探讨应变工程在磁电耦合多铁性器件中的应用，如何通过应变场控制磁化强度或介电常数，实现能量高效的传感器和逻辑开关。 3. 非冯·诺依曼架构中的应用：分析 FeFETs 和相关器件在模拟计算和存内计算（In-Memory Computing）中的应用潜力，特别是其对乘加运算的直接硬件实现。第三章：新兴的量子效应与自旋电子学本章探索超越电荷输运的自旋和拓扑效应在信息处理中的应用。 1. 自旋转移矩与自旋轨道矩（STT/SOT）：深入解析基于磁性隧道结（MTJ）的MRAM（磁阻随机存取存储器）的写入机制，重点对比STT和SOT的能效、速度和可靠性。讨论铁磁/重金属异质结中强自旋霍尔效应（SHE）的优化。 2. 拓扑绝缘体与狄拉克费米子：介绍拓扑表面态（如Bi$_2 ext{Se}_3$）在低功耗布线和自旋波导中的潜在用途，及其与传统半导体工艺的接口挑战。 3. 量子点与单电子器件的集成：评估单个电子存储（Single-Electron Transistors, SETs）在超高密度存储和精密计量中的前景，以及如何解决热噪声和量子相干性维持问题。 --- 第二部分：先进封装、系统集成与异构计算本部分将视线从单个晶体管的物理极限转移到系统层面，探讨如何通过先进的封装技术和架构创新来应对功耗墙和带宽墙。第四章：三维集成（3D-IC）与先进异构封装本书详细阐述了从传统的双维（2D）平面设计向多层垂直堆叠的演进路径。 1. 晶圆键合与TSV技术优化：深入探讨超薄晶圆的研磨（Thinning）技术，以及高深宽比（High Aspect Ratio）硅通孔（TSV）的制作、填充和电学特性。分析TSV引线电感和电容对高速互连的影响及消除策略。 2. 混合键合（Hybrid Bonding）的精度控制：重点分析铜-铜直接键合的表面处理、对准精度（Sub-micron Alignment）要求，以及在键合过程中产生的机械应力和热应力如何影响底层电路的性能。 3. 热管理与热流密度挑战：异构3D集成导致的热点集中问题是核心瓶颈。本章提出基于微流控（Microfluidic）的直接液体冷却技术、导热界面材料（TIMs）的选型与优化，以及系统级热感知调度算法。第五章：存内计算（In-Memory Computing）的架构范式本章聚焦于弥合计算单元（CPU/GPU）和存储单元（Memory）之间的数据搬运（Data Movement）能耗瓶颈。 1. 基于非易失性存储器的并行矩阵运算：详细分析RRAM、MRAM阵列如何直接执行矩阵向量乘法（MVM），并讨论位线交叉点的非线性电阻变化对计算精度的影响。引入误差校正和权重更新机制。 2. 模拟域与混合信号存内计算：探讨利用电容器（SRAM Cell）或晶体管的跨导特性进行模拟计算。重点分析噪声源（如开关噪声、漏电流）如何影响累加器的精度，并提出降噪和自动标定技术。 3. 软件与硬件协同设计：介绍如何将传统的算法（如CNNs）重新映射到存内计算架构，包括量化策略、稀疏性处理和迭代优化方法的硬件加速。第六章：面向边缘的人工智能硬件加速器本章关注于在功耗预算极度受限的移动和边缘设备上实现高性能AI推理。 1. 低比特量化与稀疏化网络：深入研究从8位浮点到1位二值化神经网络（BNN）的硬件实现细节，包括如何在硬件层面高效处理二值激活函数的计算。 2. 脉冲神经网络（SNNs）的事件驱动硬件：区别于传统的同步（Synchronous）CNNs，本章详细描述了SNNs的神经元模型（如LIF模型）在专用芯片（Neuromorphic Chip）上的事件驱动（Event-Driven）实现，以及脉冲编码与时间编码的效率优势。 3. 专用硬件加速器（ASIC）的设计流程：讨论如何从算法层面的约束（延迟、吞吐量）反推定制化数据路径、片上网络（NoC）拓扑结构和内存访问模式的设计决策。 --- 第三部分：制造工艺的极限与挑战本书最后一部分将视角投向半导体制造的最前沿，探讨在极小特征尺寸下，材料学和计量学所面临的严峻考验。第七章：极紫外光刻（EUV）的下一代挑战本章超越了对EUV基本原理的介绍，聚焦于其在实现小于 $3 ext{nm}$ 节点的关键技术瓶颈。 1. 掩模版缺陷检测与修复：分析EUV掩模版上的粒子缺陷和图案缺陷的检测精度要求（$ ext{nm}$ 级），以及原子层沉积（ALD）技术在缺陷填充和修复中的应用。 2. 低 $ ext{LELE}$ 技术的演进与限制：探讨先进的多重曝光技术（如四重曝光）在提高分辨率上的局限性，以及材料对比度、光刻胶（Photoresist）的敏感性与分辨率的矛盾。 3. 等离子体刻蚀的侧壁控制：深度剖析原子层刻蚀（ALE）技术如何实现更精细的侧壁钝化和各向异性控制，这对构建 FinFET 或 GAA 结构中的窄沟道至关重要。第八章：原子层级材料的精准沉积与表征本章强调在原子尺度上控制薄膜厚度、化学计量和界面质量的必要性。 1. 高精度ALD/CVD过程控制：详细介绍先进的脉冲序列设计、惰性气体环境控制，以及如何利用原位监测技术（如椭偏仪或晶振监测）实时反馈控制膜层生长。 2. 异质结界面的分析技术：探讨高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线光电子能谱（XPS）在确定二维材料与金属电极界面化学键合状态和陷阱态密度方面的应用。 3. 缺陷工程与掺杂激活：分析在极窄沟道中，激活掺杂原子所需的退火工艺窗口的急剧缩小，以及如何利用快速热处理（RTP）或激光退火来最小化激活过程中的原子迁移和界面损伤。总结：本书为致力于推动集成电路技术向前发展的专业人士提供了一个全面、深入的知识框架，它不再停留在对基本PN结或MOS特性的基础讨论，而是直接深入到决定下一代计算性能的材料选择、系统架构优化和制造工艺的极限探索之中。它强调的是跨学科的融合，是物理、材料科学与计算机工程的深度交汇点。