本教材本着从简单到复杂的循序渐进的原则，先从构成集成电路的主要器件MOS场效应晶体管的基本工作原理开始，再深入分析CMOS基本单元电路，基于对单元电路的讨论，分析一些重要的数字子系统的结构和工作原理，最后讨论集成电路的设计方法学。在每一章都有相应的例题和习题引导和帮助学生掌握电路的工作原理和设计考虑。本书在编写过程中充分考虑了计算机专业学生的需求，重点放在电路基本原理和设计方法学上，目的在于使计算机专业背景的学生也能够掌握集成电路的设计方法。
大规模集成电路原理与设计
甘学温 贾嵩 王源 孙雷 编著
本书主要特色
内容先进：让学生了解集成电路的发展，了解缩小到纳米尺度的CMOS器件和电路面临的挑战，了解先进的CMOS器件结构和工艺。
难度适中：考虑到非微电子专业的学生没有学习过半导体物理和半导体器件物理，本书不过多地进行理论推导，重点放在电路基本原理和设计方法学上。在内容安排上本着从简单到复杂的循序渐进的原则，加强对基本单元电路的分析。
覆盖面广：让学生对集成电路有一个全面的了解，从MOS器件到CMOS电路结构、从单元电路到子系统分析、从集成电路的版图设计到芯片制作以及芯片的封装和测试。
理论与实践相结合：通过实例引导学生学习集成电路分析与设计方法。每一章都有相应的例题和习题引导和帮助学生掌握电路的工作原理和设计。以附录的形式介绍了Verilog语言和电路分析软件SPICE的使用，并给出了一些电路版图的例子，以便帮助学生掌握一些常用的EDA工具，使学生可以在不同层级完成集成电路设计。
主要作者简介
甘学温，北京大学教授。长期从事教学和教学管理工作。曾获北京大学教学优秀奖、北京大学摩托罗拉奖教金、北京大学华为奖教金、北京大学深圳研究生院教学优秀奖。与贾嵩、陈中建等共同建设的“集成电路原理与设计”系列课程被评为2008年北京市高等教育精品课程，“集成电路原理与设计课程改革与建设”获得2008年北京大学教学成果一等奖。独立编写或与人合著有多部教材，其中与人合著的《集成电路原理与设计》教材入选北京市高等教育精品教材建设工程项目及普通高等教育“十一五”国家级规划教材，并被评为2007年度普通高等教育精品教材。
贾嵩，博士，北京大学副教授。先后承担国家级和省部级科研项目3项，发表学术论文30多篇，SCI、EI收录10余篇，获发明专利1项。主讲研究生课程“数字集成电路原理”、“低功耗CMOS设计”，本科生课程“数字集成电路原理与设计”、“集成电路计算机辅助设计”、“集成电路设计实习”等。与甘学温、陈中建等共同建设的“集成电路原理与设计”系列课程被评为2008年北京市高等教育精品课程，“集成电路原理与设计课程改革与建设”获得2008年北京大学教学成果一等奖。
在上世纪50年代集成电路面世初期，没有人能想象这样一片小小的晶片能对世界产生如此大的影响，没人能预料到如今它已在我们的生活中无处不在。集成电路衍生出了整个现代电脑工业，上世纪四五十年代动辄上吨重的计算机已被现在的个人计算机和掌上电脑所取代。集成电路为信息产业的发展做出了巨大贡献，没有集成电路的发明，今时今日许多的电子产品根本没有可能面世。毫无疑问，集成电路的发明打造出了一个强大的产业，也改变了人类的生活。
在过去的50年里，集成电路一直按照摩尔定律的预测飞速发展着。集成度的增长速度直接反映了集成电路的发展。1971年Intel推出的第一款微处理器4004采用10μm工艺，集成度仅为2300个元件，时钟频率为0.108MHz。2002年Intel推出的奔腾4处理器采用0.13μm工艺，集成度为5500万个晶体管，时钟频率超过2GHz。而2007年Intel推出的酷睿2四核处理器，采用45nm工艺，集成度为8.2亿个晶体管。集成电路制造工艺已从“微米级”、“亚微米级”、“深亚微米级”进入到“纳米级”加工水平，硅片（或叫做晶圆）的直径也从2英寸发展到现在的12英寸。随着集成度不断提高，集成电路已经发展到系统芯片时代，在一个芯片上，可集成包括CPU、DSP、逻辑电路、模拟电路、射频电路、存储器、总线和其他功能模块及嵌入软件等，并相互连接构成完整的系统。
MOS器件由于其结构简单有利于集成化，使得MOS集成电路出现以后就受到重视，并得到迅速发展。MOS集成电路从早期的PMOS电路发展到NMOS电路，电路的速度得到提高。NMOS电路比双极型电路工作电流小、功耗低、集成密度高，在20世纪70年代得到迅速发展，成为数字集成电路的主流。但是当集成电路发展到超大规模时，NMOS电路的静态功耗也成为一个限制因素。CMOS电路利用NMOS器件和PMOS器件的互补特性，消除了电路的直流电流，极大地降低了功耗。因此，20世纪80年代中期，CMOS已经发展成为集成电路的主流技术，至今一直占据着主导地位。
面对集成电路如此迅猛的发展形势和集成电路产业对于集成电路设计人才的大量需求，本书的几位作者一直致力于集成电路方面的教学工作，不断改革课程设置和教学内容，在教学工作中取得了优异的成绩，我们开设的“集成电路原理与设计”系列课程被评为北京市精品课程，课程改革的成果获得2008年北京大学教学成果一等奖。我们还根据多年的教学经验，做好教材建设工作。1999年和2006年甘学温教授曾分别编写了《数字CMOS VLSI分析与设计基础》一书以及与其他老师合著《集成电路原理与设计》一书。《集成电路原理与设计》一书入选北京市高等教育精品教材建设工程立项，同时入选“十一五”国家级规划教材立项，并被评为2007年度普通高等教育精品教材。这两本教材主要针对的是微电子专业的学生，对MOS器件和CMOS电路原理的分析比较深入细致，需要学生有比较扎实的半导体物理和半导体器件物理的基础。
随着集成电路的应用越来越普及，很多非微电子专业的学生也希望了解集成电路的工作原理和设计方法，特别是集成电路的发展和计算机有紧密的联系，计算机中的CPU和内存是数字集成电路的主要产品。微处理器和存储器芯片的集成密度和工作速度不断提高，使计算机的性能也不断提高，同时也促进了计算机的发展和普及；而计算机的发展，特别是工作站的出现可以支持功能强大的电路设计软件，为集成电路设计自动化提供了平台。可以说集成电路和计算机的发展相辅相成。正是由于集成电路和计算机之间这种密切关联，教育部计算机科学与技术专业教学指导分委员会提出在计算机专业开设集成电路原理课程。我们正是针对这种需求编写了《大规模集成电路原理与设计》这本教材。考虑到计算机专业背景的学生没有学习过半导体物理和半导体器件物理，因此，我们在编写时不过多地进行理论推导，重点放在电路基本原理和设计方法学上，而不过多地介绍器件的物理内容，目的在于使计算机专业背景的学生也能够掌握集成电路的设计方法。
本书的几位作者有着丰富的教学经验和从事集成电路设计与制作的科研实践，在编写过程中结合实际经验，并参考国外先进的教材和文献资料，力求使教材内容具有先进性，同时强调教材要有普及性和实用性。在内容安排上本着从简单到复杂的循序渐进的原则，先从构成集成电路的主要器件MOS场效应晶体管的基本工作原理开始，再深入分析CMOS基本单元电路，基于对单元电路的讨论，分析一些重要的数字子系统的结构和工作原理，最后讨论集成电路的设计方法学。在每一章都有相应的例题和习题引导和帮助学生掌握电路的工作原理和设计考虑。书中给出的很多电路性能是我们针对国内目前较先进的0.13μm工艺参数用SPICE仿真得到的结果，能够比较真实地反映实际电路的性能。通过这些实例引导学生学习集成电路分析与设计方法。我们以附录的形式介绍了Verilog语言和电路分析软件SPICE的使用，并给出了一些电路版图的例子，以便帮助学生掌握一些常用的EDA工具，使学生可以在不同层级完成集成电路设计。本书可以作为计算机科学与技术、电子科学与技术等非微电子专业的高年级本科生学习集成电路原理与设计的教材，也可以作为信息科学技术领域的工程技术人员了解CMOS集成电路的入门参考书。
本书第1章由甘学温教授执笔。第2章和第6章由王源副教授执笔。第3章由孙雷副教授执笔。第4章由孙雷副教授、贾嵩副教授和甘学温教授共同完成。第5章和第7章由贾嵩副教授执笔。最后由甘学温教授对全书进行了审核。
在本书编写过程中得到了北京大学信息科学技术学院微电子学系领导和同事们的关心和支持，也得到很多学生的帮助。吉利久教授、莫邦燹教授审阅了书稿；王逸潇、李夏禹、杜兵、吴迪、刘俐敏等学生帮助绘制了大量的插图并提供了SPICE仿真的结果；张小阳、任建国、吴峰锋等学生帮助完成一些资料收集和整理工作。作者在此向所有关心和帮助我们的领导、同事和学生表示衷心的感谢。还要感谢北京市教育委员会给予的北京市高等教育精品教材立项资助，感谢机械工业出版社华章分社为本书的出版所做的大量工作。
由于作者水平有限，书中难免有错误和疏漏之处，诚恳欢迎读者批评指正。
作者
2009年2月于北京大学
本书特点
（1） 内容先进：让学生了解集成电路的迅速发展，了解缩小到纳米尺度的CMOS器件和电路面临的挑战，了解先进的CMOS器件结构和工艺。教材中给出的SPICE仿真结果采用的是国内先进的0.13μm工艺参数。
（2） 难度适中：考虑到非微电子专业的学生没有学习过半导体物理和半导体器件物理，本书不过多地进行理论推导，重点放在电路基本原理和设计方法学上。在内容安排上本着从简单到复杂的循序渐进的原则，加强对基本单元电路的分析。
（3） 覆盖面广：让学生对集成电路有一个全面的了解，从MOS器件到CMOS电路结构、从单元电路到子系统分析、从集成电路的版图设计到芯片制作以及芯片的封装和测试。
（4） 理论与实践相结合：通过实例引导学生学习集成电路分析与设计方法。在每一章都有相应的例题和习题引导和帮助学生掌握电路的工作原理和设计考虑。以附录的形式介绍了Verilog语言和电路分析软件SPICE的使用，并给出了一些电路版图的例子，以便帮助学生掌握一些常用的EDA工具，使学生可以在不同层级完成集成电路设计。
作者介绍
甘学温，北京大学教授。长期从事教学和教学管理工作。曾获北京大学教学优秀奖、北京大学摩托罗拉奖教金、北京大学华为奖教金、北京大学深圳研究生院教学优秀奖。与贾嵩、陈中建等共同建设的“集成电路原理与设计”系列课程被评为2008年北京市高等教育精品课程，“<集成电路原理与设计>课程改革与建设”获得2008年北京大学教学成果一等奖。独立编写或与人合著有多部教材，其中与人合著的《集成电路原理与设计》教材入选北京市高等教育精品教材建设工程项目及普通高等教育“十一五”国家级规划教材，并被评为2007年度普通高等教育精品教材。
贾嵩，博士，北京大学副教授。先后承担国家级和省部级科研项目3项，发表学术论文30多篇，SCI、EI收录10余篇，获发明专利1项。主讲研究生课程“数字集成电路原理”、“低功耗CMOS设计”，本科生课程“数字集成电路原理与设计”、“集成电路计算机辅助设计”、“集成电路设计实习”等。与甘学温、陈中建等共同建设的“集成电路原理与设计”系列课程被评为2008年北京市高等教育精品课程，“<集成电路原理与设计>课程改革与建设”获得2008年北京大学教学成果一等奖。
近20年里，计算机学科有了很大的发展，人们普遍认为，“计算机科学”这个名字已经难以涵盖该学科的内容，因此，改称其为计算学科（Computing Discipline）。在我国本科教育中，1996年以前曾经有计算机软件专业和计算机及应用专业，之后被合并为计算机科学与技术专业。2004年以来，教育部计算机科学与技术专业教学指导分委员会根据我国计算机专业教育和计算学科的现状，为更好地满足社会对计算机专业人才的需求，发布了《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》（以下简称《规范》），提出在计算机科学与技术专业名称之下，构建计算机科学、计算机工程、软件工程和信息技术四大专业方向。《规范》中四大专业方向的分类，在于鼓励办学单位根据自己的情况设定不同的培养方案，以培养更具针对性和特色的计算机专业人才。
为配合《规范》的实施，落实中央“提高高等教育质量”的精神，我们规划了“面向计算机科学与技术专业规范系列教材”。本系列教材面向全新的计算学科，针对我国高等院校逐步向新的计算机科学与技术专业课程体系过渡的趋势编写，在知识选择、内容组织和教学方法等方面满足《规范》的要求，并与国际接轨。本套教材具有以下几个特点：
（1） 体现《规范》的基本思想，满足其课程要求。为使教材符合我国高等院校的教学实际，编委会根据《规范》的要求规划本套教材，广泛征集在国内知名高校中从事一线教学和科研工作、经验丰富的优秀教师承担编写任务。
（2） 围绕“提高教育质量”的宗旨开发教材。为了确保“精品”，本系列教材的出版不走盲目扩大的路子，每本教材的选题都将由编委会集体论证，并由一名编委担任责任编委，最大程度地保证这套教材的编写水准和出版质量。
（3） 教材内容的组织科学、合理，体系得当。本套教材的编写注重研究学科的新发展和新成果，能够根据不同类型人才培养需求，合理地进行内容取舍、组织和叙述，还精心设计了配套的实验体系和练习体系。
（4） 教材风格鲜明。本套教材按4个专业方向统一规划，分批组织，陆续出版。教材的编写体现了现代教育理念，探讨先进的教学方法。
（5） 开展教材立体化建设。根据需要配合主教材的建设适时开发实验教材、教师参考书、学生参考书、电子参考资料等教辅资源，为教学实现多方位服务。
我们衷心希望本系列教材能够为我国高等院校计算机科学与技术等专业的教学作出贡献，欢迎广大读者广为选用。
“面向计算机科学与技术专业规范系列教材”编委会
出版者的话
序 言
前 言
教学建议
符号表
第1章 绪论1
1.1 集成电路的发展历史1
1.2 集成电路的发展规律3
1.3 集成电路的分类5
1.4 集成电路的发展趋势7
参考文献12
习题14
第2章 CMOS集成电路中的基本元件15
2.1 硅材料的基本特性15
2.1.1 载流子和费米能级15
2.1.2 pn结17
2.1.3 MIS（MOS)结构20
2.2 MOSFET器件23
2.2.1 MOSFET器件结构24
2.2.2 MOSFET器件特性26
2.2.3 MOSFET按比例缩小理论…34
2.2.4 小尺寸MOSFET的二级效应36
2.2.5 MOSFET的SPICE器件模型40
2.3 CMOS集成电路中的无源元件46
2.3.1 电容器46
2.3.2 电阻器48
2.3.3 互连线51
参考文献55
习题55
第3章 CMOS反相器的分析与设计…57
3.1 CMOS反相器的结构和基本特性…57
3.2 CMOS反相器的直流特性58
3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性58
3.2.2 CMOS反相器的直流转移特性61
3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限62
3.3 CMOS反相器的瞬态特性63
3.3.1 CMOS反相器的负载电容…63
3.3.2 CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间64
3.3.3 反相器传输延迟时间的计算66
3.3.4 电路的最高工作频率68
3.4 CMOS反相器的设计69
参考文献70
习题71
第4章 基本单元电路72
4.1 静态CMOS逻辑电路72
4.1.1 静态CMOS逻辑门的结构特点72
4.1.2 静态CMOS逻辑门的分析方法75
4.1.3 静态CMOS逻辑门的设计…80
4.1.4 用静态CMOS逻辑门实现组合逻辑81
4.2 MOS传输门逻辑电路86
4.2.1 传输门的基本特性86
4.2.2 用传输门实现组合逻辑90
4.2.3 传输门阵列逻辑92
4.3 动态CMOS逻辑电路94
4.3.1 预充求值的动态CMOS电路94
4.3.2 多米诺CMOS电路97
4.3.3 时钟同步CMOS电路99
4.4 锁存器和触发器100
4.4.1 双稳态电路和RS锁存器…100
4.4.2 D锁存器和D触发器102
4.4.3 其他功能的时序逻辑单元…103
4.4.4 动态时序逻辑单元104
4.4.5 多位时序逻辑电路104
4.5 CMOS逻辑电路的功耗105
4.5.1 CMOS电路的功耗来源105
4.5.2 低功耗技术108
参考文献109
习题110
第5章 数字集成电路子系统设计112
5.1 控制器的设计112
5.1.1 有限状态机112
5.1.2 存储程序控制器114
5.2 运算器的设计115
5.2.1 加法器的结构设计115
5.2.2 加法器的电路设计117
5.2.3 以加法器为基础构建算术逻辑单元118
5.3 VLSI存储器120
5.3.1 存储器的总体结构120
5.3.2 存储器的单元结构121
5.3.3 存储器外围电路126
5.4 输入/输出缓冲器127
5.4.1 输入缓冲器单元127
5.4.2 输出缓冲器单元129
5.4.3 三态输出和双向缓冲器单元130
参考文献131
习题131
第6章 CMOS集成电路制造工艺133
6.1 CMOS工艺133
6.1.1 基本工艺步骤133
6.1.2 n阱CMOS工艺流程136
6.1.3 硅基CMOS中的闩锁效应139
6.1.4 先进的CMOS工艺140
6.2 CMOS版图设计143
6.3 封装技术148
6.3.1 封装工艺流程148
6.3.2 封装工艺分类149
6.3.3 先进的封装技术150
参考文献152
习题153
第7章 集成电路的设计方法与实现…154
7.1 集成电路设计流程154
7.1.1 层次化的方法155
7.1.2 结构化的方法155
7.2 集成电路的设计方法分类156
7.3 全定制设计方法157
7.3.1 全定制方法的设计输入与分析158
7.3.2 全定制的版图设计160
7.4 半定制设计方法162
7.4.1 半定制设计流程162
7.4.2 硬件描述语言163
7.4.3 基于标准单元的ASIC方法163
7.4.4 基于IP的SoC方法168
7.5 设计实例170
7.5.1 系统定义171
7.5.2 设计过程173
参考文献179
习题180
附录A SPICE仿真基础181
附录B Verilog HDL基础知识194
附录C CMOS集成电路常用参数表…202
附录D 集成电路发展历史的大事记…204
