全书从半导体物理与器件出发，系统梳理二极管、双极晶体管、MOSFET的模型与特性，逐步过渡到双极/CMOS放大器、运算放大器、差分对、电流镜、反馈与稳定性、高频响应、振荡器、功率放大器、模拟滤波器以及数字CMOS等核心内容；在架构上采用“设计导向”思路，以“问题—综合—优化”循环递进，既强调符号推演与直观分析，又穿插SPICE仿真、数值验证和机器人、生物工程等新兴应用，帮助读者建立“器件—电路—系统”整体观。

译者序

第3版前言

第2版前言

第1版前言

第1章微电子学导论1

11电子学与微电子学1

12电子系统的例子1

121蜂窝电话1

122数码相机4

123模拟电路与数字电路5

13基本概念6

131模拟信号和数字信号6

132模拟电路7

133数字电路8

134基本电路定理9

14本章小结14

参考文献14

第2章半导体物理基础15

21半导体材料及其特性15

211固体中的载流子16

212载流子浓度调节18

213载流子输运19

22PN结25

221平衡态的PN结25

222反向偏置PN结 28

223正向偏置PN结32

224IV特性 34

23反向击穿37

231齐纳击穿37

232雪崩击穿38

24本章小结38

习题39

SPICE习题41

参考文献41

第3章二极管模型与电路42

31理想二极管42

311最初设想42

312理想二极管电路43

313应用例题46

32PN结作为二极管49

33补充例题51

34大信号工作和小信号工作55

35二极管的应用61

351半波整流器与全波整流器61

352稳压69

353限幅电路71

354倍压器74

355二极管作为电平转换器和

开关78

36本章小结80

习题80

SPICE习题86

参考文献87

第4章双极型晶体管的物理机理88

41概述88

42双极型晶体管的结构89

43双极型晶体管在有源模式下

的工作原理90

431集电极电流91

432基极和发射极电流93

44双极型晶体管的模型与特性95

441大信号模型95

442IV特性96

443跨导的概念98

444小信号模型99

445厄利效应102

45双极型晶体管在饱和模式下

的工作原理108




46PNP晶体管110

461器件结构和工作原理110

462大信号模型110

463小信号模型112



47本章小结115

习题115

SPICE习题121

第5章双极型放大器123

51概述123

511输入和输出阻抗123

512偏置127

513直流分析和小信号分析127

52工作点分析与设计128

521简单偏置128

522电阻分压器偏置130

523发射极负反馈的偏置132

524自偏置电路135

525PNP晶体管的偏置136

53双极型放大器电路139

531共发射极电路139

532共基极电路158

533射极跟随器168

54总结及其他例题173

55本章小结178

习题 178

设计习题188

SPICE习题190




第6章MOS晶体管的物理机理192

61MOSFET结构192

62MOSFET的工作原理194

621定性分析194

622IV特性的推导199

623沟道长度调制206

624MOS跨导207

625速度饱和208

626其他二阶效应209

63MOS器件模型209

631大信号模型210

632小信号模型211

64PMOS晶体管212

65CMOS技术214

66双极型器件与MOS器件的

对比214

67本章小结215

习题216

SPICE习题221

参考文献222

第7章CMOS放大器223

71概述223

711MOS放大器的拓扑结构223

712偏置223

713电流源的实现226

72共源极电路227

721共源极电路的核心模块227

722带有电流源负载的共源极

电路229

723带有二极管接法负载的

共源极电路229

724带有负反馈的共源极

电路230

725带有偏置的共源极核心

模块233

73共栅极电路235

731带有偏置的共栅极电路237

74源极跟随器239

741源极跟随器的核心模块239

742带有偏置的源极跟随器241

75总结和其他例题242

76本章小结245

习题246

设计习题254

SPICE习题256

参考文献257

第8章运算放大器258

81概述258

82基于运放的线性电路260

821同相放大器260

822反相放大器261


823积分器与微分器264


824电压加法器269

83基于运放的非线性电路270

831精密整流器270

832对数放大器271

833平方根放大器272

84运放的非理想性272

841直流失调电压272

842输入偏置电流274
843速度限制277

844非理想的输入阻抗和输出

阻抗280

85设计例题281

86本章小结282

习题282

设计习题287

SPICE习题288

附录SPICE简介290
ⅩⅦ

第3版前言


随着半导体和通信产业的发展，微电子技术已经应用到各行各业。本书是我在相关产业、科研领域和学术界多年的研究和工作经验的结晶，在主题和内容的选择上充分考虑了深度和广度，以便全面和高效地阐明微电子技术的分析和设计原则。
本书以“知识延伸”和“应用拓展”的形式提供了许多电子器件和电路的历史与实际应用的内容，以帮助读者深入理解相关概念。本书还介绍了不同领域的最新发展，尤其是在机器人技术和生物工程方面，并涵盖了相关的实例，有助于读者掌握真实系统中各种电子器件和电路的使用。

自这本书的第2版出版以后，我一直在开发新的素材，以增强读者的学习体验。第3版新增了

机器人技术和生物工程应用。除了通信和计算机领域，许多其他领域也非常依赖机器人技术和生物工程。在书中基础电子学的内容中，我用读者能够理解的语言提炼相关概念。我还在书中呈现了二十多个机器人技术和生物工程的例子，展示了相关电子器件和电路在实际系统中的应用。


致读者
阅读本书就像是穿越迷人的微电子世界。然而，这个阅读过程并不像读小说那么容易，每一步都需要运用数学的严谨和对工程的直观理解来学习微电子学的分析和设计。因此，在阅读本书之前，需要已经学习了一到两门有关基本电路理论的课程，掌握了基尔霍夫定律和分析RLC电路的方法，虽然这些课程和知识是抽象的，与现实生活没有明显的联系， 但它们所研究的概念是微电子学的基础——就像微积分是工程学的基础一样。
除了严谨之外，还需要培养直观理解能力，即明确了所学概念的许多应用方向后，对微电子器件和电路的工作原理要有“感觉”。如果没有直观的理解，对电路的分析会随着器件的增多和功能的复杂而变得越来越困难。因此，本书着重于建立 “直观分析法”所需的思维方式和技巧。也就是说，考虑一个复杂的电路时，希望将其分解或“映射”成更简单的电路结构，从而只需要几行代数式来表示其运行行为。举一个简单的例子，对于图1a所示的电阻分压器，可推导出它的戴维南等效电路（见图1b），就很容易用戴维南等效电路替换Vin,R1和R2， 从而简化计算。

在学习本书时，每周大约需要阅读40页的内容，每一页都会包含许多新的概念、推导和例题。这需要集中注意力并严格自律，确保不受干扰 (没有电话、电视、电子邮件等)，提高学习效率和分析能力。另外，建议在学习每个例题的求解之前先尝试自己求解一下。

本书部分章节最后提供了习题，这些习题中前面的相对容易，往后会变得越来越具有挑战性。在解答习题的过程中你可能需要重新学习相应章节的内容，更细致地理解这些内容后才能作答，这个过程也是主动学习的过程。当你从不同的角度思考习题时，你会形成新的解题思路。你面对的问题越多，答案就越令人难忘。在此还想提醒你的是，和你的同学或其他人一起完成习题不是一个好主意！ 学习微电子学需要安静地集中注意力，独立完成习题。完成后，你可以找同学、老师或助教讨论答案。

每周至少需要用10个小时来阅读书中的内容并完成习题，你需要好好管理时间。 建议将时间分成固定的时间段并有效地使用每个时间段。为了提高效率，需要在安静的环境中学习，尽量减少干扰。

你在电路理论课程中学到的许多概念对微电子学的学习至关重要。第1章是简要概述，以唤起你的记忆。在课下阅读时，你可以先浏览第1章，看看哪些概念在“困扰着你”，然后再着力掌握它。

致讲授者
讲授本科课程是相当具有挑战性的，因为要着重于思考和分析，而不是死记硬背。今天的年轻人习惯了玩快节奏的电子游戏，习惯了在互联网上“点击”就能直达他们的目标，因此鼓励他们长时间集中注意力，并且处理抽象的概念变得越来越困难。下面我基于十多年的教学经验，为讲授微电子学的教师提供一些建议，希望有助于他们的教学。
调动积极性。选修第一门微电子学课程的学生通常已经完成了一至两门基础电路理论课程的学习。对许多人来说，这段经历并没有记住很多基础理论知识。毕竟，电路理论教科书很可能是由非电路领域工作的人编写的。同样，这些课程也很可能是由很少参与电路设计的老师讲授的。例如，学生们很少被告知在手工计算中，节点分析比网格（Mesh）分析更常用。或者说,他们缺少对戴维南定理和诺顿定理的直观认识。
考虑到上述问题，我会在第一节课前用5分钟时间调动学生的积极性。我会问有多少人喜欢电路理论课程，并从中学到了“实际有用”的内容。很少有人举手。我还会接着问，“那你的微积分课程呢？有多少人从这些课程中学到了‘实用的’内容?”随后，我会解释电路理论为微电子学打下的基础恰如工程学中的微积分一样。我还会进一步阐明，在微电子学中也会学习到一些抽象内容，是后续的更深入的电路分析与设计课程的基础。最后我会指出：①学习微电子学课程的重点是学习微电子器件和电路在我们日常生活中的应用；②直观理解对于微电子学至关重要，这不仅仅是简单地写出KVL和KCL，而是直观地解释（求解）数学表达式。换句话说，微电子学并不像由1 Ω电阻、1 H电感和1 F电容构成的RLC电路那样简单无味。

第一次测验。由于不同的学生开始学习每门课程时的准备程度不同，我发现在第一堂课上做一个10分钟的小测验很有用。我会指出，这个测验不会计入他们的成绩，而是用来衡量他们的理解能力，我会强调测验的是知识，而不是智力。测验后，我会让助教根据成绩给得分低于总分50%的人标上红星。下课后，我会将小测验发回去，并要求那些得到红星的同学更加努力学习，并更频繁地与助教和我互动。
联系实际应用场景。教学中一个有力的激励工具是“实际场景”，即所学概念的“实际”应用。比如第1章中描述的两个电子系统的例子。另外，对于所介绍的实际应用的选择需要仔细考虑。如果描述过长或结果太抽象，将使学生难以找到概念和应用之间的联系。我的方法是：假设我们开始讲第2章 (半导体物理基础)。我会问“如果没有半导体，我们的世界会变成什么样子”?或者问“你的手表里有半导体器件吗? 你的手机里，你的便携式计算机里，你的数码相机里呢?”在接下来的讨论中，我将快速介绍半导体器件的例子及其所使用的场景。
在实际场景之后，我还会问“好吧，这些东西是不是过时了？我们为什么要学习这些东西?”然后，我会简要地介绍当今电路设计中所面临的挑战，以及制造商为了降低便携式设备的功耗和成本而展开的竞争。
分析与归纳。让我们考虑一下学习微电子学课程的学生的背景。他们能够高效地写出KVL和KCL，他们也掌握了RLC电路；那么，对于这些学生来说，所有的RLC电路看起来都是一样的，且不清楚它们是如何设计出来的。另一方面，教授微电子学的一个基本目标是开发具有某种特性的具体电路拓扑结构。因此，必须改变学生的思维方式，从“这里有一个电路，你可能这辈子再也不会见到它了。来分析它!”转变为“我们遇到了一个问题，必须创建一个电路来解决这个问题”。然后，可以从最简单的电路拓扑开始，找出它的缺点，并不断进行修改，直至得到一个可接受的解决方案。这种循序渐进的归纳方法可以：①说明每个器件在电路中的作用；②建立“以设计为导向”的思维方式；③激发学生的智慧和兴趣。

直观分析法。在微电子学的学习过程中，学生将面对越来越复杂的电路，最终会到盲目地写出KVL和 KCL的地步，这使得学习非常低效，甚至令人望而却步。在我最初的几堂课中，我会展示一个复杂运算放大器的内部电路，并问：“仅通过简单地写出节点或网格的等式，我们能分析出这个电路的行为吗？”因此向他们灌输“直观分析法”的概念非常重要。 我的方法包括两个步骤：①对于每个简单的电路，用直观的语言描述其特性；例如，共源极电路的“电压增益”为负载电阻除以1/gm加上源极对地的电阻。②将复杂电路映射为一个或多个在步骤①中学过的电路拓扑结构。

除了效率之外，这样的直观分析也提供了很好的直觉。利用讲解的各种例题，我向学生强调，由映射得到的结果所揭示的电路的相关性比我们只写出KVL和KCL要清楚得多。

鼓励尝试各种解法。一种优化电路性能的有趣方法是问这样的问题：“如果我们将这个器件连接在节点C和D之间，而不是在节点A和B之间，情况会怎样?”事实上，学生自己也会经常提出类似的问题。我会这样回答他们：“不用害怕!你这样改变电路后，它也不会咬人。所以继续分析这个新电路就是了。”

对于简单的电路，可以鼓励学生多考虑几种可能的修改，并求解其性能。由此，学生能够更加熟悉经典的电路拓扑结构，并理解为什么它是唯一可接受的解决方案(如果是这样的话)。
数值计算与符号计算。在设计例题、作业和考试时，老师必须在数值计算和符号计算之间做出选择。当然，学生可能更喜欢前一种类型，因为它只需要找到相应的等式并代入数字。
数值计算的价值是什么？在我看来，可能是两个目的之一：①使学生对近期获得的结果感到熟悉；②让学生知道实际问题中的典型数值。因此，数值计算在教学和强化概念方面的作用有限。另一方面，符号计算，可以通过揭示电路的相关性、变化趋势及其限制，加深对电路特性的理解。而且，由此得到的结果可以运用在更复杂的电路中。

分立与集成。微电子学课程应该如何分配分立电路和集成电路内容的比例？对我们大多数人来说，“微电子学”这个术语仍然是“集成电路”的代名词，事实上，一些大学的课程已经逐渐减少了课程中分立电路的内容，甚至几乎不讲了。然而，在学习这类课程的学生中，只有一小部分最终从事IC产品的设计， 而大多数则从事电路（板级）设计。
本书中的方法是，从适用于两者的一般概念开始，然后逐渐集中在集成电路上。我还相信，即使是电路（板级）的设计师也必须对他们使用的集成电路有一个基本的了解。
双极型晶体管与MOSFET。目前，在微电子学本科课程中引入有关双极型晶体管和电路的内容还存在着一些争议。随着MOSFET主导了半导体市场，双极型器件的价值似乎不大。虽然这种观点在某种程度上可能适用于研究生课程，但：①如上所述，许多本科生会从事板级和分立电路的设计，而这很容易遇到双极型器件；②双极型晶体管和MOS晶体管之间的差异和相同之处的对比有助于理解每类器件的特性。
介绍这两类器件的先后顺序同样也存在如下争议。

有些教师会先讲MOS器件，以确保有足够的时间完成所教授的内容。 而另一方面，课程内容的自然进展需要将双极型器件作为PN结的延伸。实际上，如果二极管后面紧接着学习MOS器件，学生会发现这两者之间缺少关联(在MOSFET中，直到讲器件电容时，才会涉及PN结)。

在这本书中，我的方法是首先讲双极型器件和电路，打下基础，这样后续MOS相应的部分讲起来会变得轻松一些。 如下所述，这些内容甚至可以在一个学季的时间内充裕地讲完而无须舍弃任何一类器件的细节。
尽管如此，书中内容的安排适合于希望先讲CMOS电路的讲师。每种讲授方法的章节安排顺序如表1所示。第16章的内容是假设学生没有学过任何放大器设计原理而编写的，这样教师就可以从MOS器件物理原理自然过渡到MOS放大器设计，而无须先介绍双极型放大器。
教学大纲。这本书可以在
连续的两个学季或两个学期中使用。根据教师的情况，课程可以将不同的章节进行组合。


在加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）学季制下，我按照教学大纲Ⅰ已经上了很多年的课

我们开设了一门独立的数字电路设计本科课程，学生需要修完微电子学入门课程之后才可以选修。 。教学大纲Ⅱ则舍弃了运算放大器电路，添加了数字CMOS电路的入门课程。
在学期制教学中，教学大纲Ⅰ将第一学期的课程延伸到电流镜和级联电路，第二学期的课程扩展了输出级和模拟滤波器的内容。而教学大纲Ⅱ，在第一学期包括了数字电路，将串接组态与电流镜放到第二学期，并舍弃了输出电路的内容。表2显示了在UCLA学季制下讲课时在各个章节上大致花费的时间。在学期制下时间的分配更灵活。
章节内容
每一章的内容可以分为三类：①教师在课堂上应该讲的基本概念；②学生必须培养的基本技能，但由于课时有限无法在课堂上讲解的内容；③有用的内容，但可以根据教师的喜好不讲解的内容。 以下是各章节的概述，说明了哪些内容是需要在课堂上讲授的。
第1章的目的是提供微电子学的“全貌”，并使学生熟悉模拟和数字信号。 我大约用30~45分钟讲1.1节和1.2节的内容，本章剩下的内容(基本概念)就不讲了，留给助教在第一周的特别晚间课上讲解。
第2章提供了半导体器件物理基础知识，特意放慢了学习节奏，从不同的角度研究概念，使学生在阅读的过程中理解消化所学的内容。简洁的描述可以缩短本章的篇幅，但这样一来就需要学生反复阅读以真正理解。
然而，应该注意的是，教师在课堂上的节奏并不需要像书中这一章那样缓慢。希望学生自己阅读其中的细节和例题，以加强对内容的掌握。本章最关键的是，必须学习器件的物理原理，以便用它们构建电路模型。在学季制的情况下，我会在课堂上讲解以下概念：电子和空穴；掺杂；漂移和扩散；平衡态以及正向、反向偏置下的PN结。

第3章有四个目的：①使学生熟悉作为非线性器件的PN结;②引入对非线性模型进行线性化的概念，以简化分析；③涵盖任何电气工程师都必须熟悉的基本电路，例如，整流器和限幅器;④培养分析高度非线性电路的技能，例如，难以预测在什么输入电压下、哪个二极管
会导通的电路。其中，前三点是必不可少的，需要在课堂上讲解，而最后一点取决于教师的喜好(在我的课上会全部讲解)。为了节省时间，在学季制下，我会跳过一部分的内容， 例如，电压倍增电路和电平移位电路。
第4章从放大器中使用的电压控制电流源入手，介绍了作为PN结的延伸的双极型晶体管，并推导出其小信号模型。和第2章一样，学习进度相对慢一点，但课堂讲授不需要放慢。我讲解了双极型晶体管的结构和工作原理，简单地推导了双极型晶体管的指数特性以及晶体管模型， 简要地提到了非理想的饱和特性。由于T模型在分析中的用处有限且不够直观(特别是对于MOS器件)，因此本书舍掉了这部分内容。

第5章是本书篇幅最长的一章，为所有后续的电子器件的研究奠定了必要的基础。采用自下而上的方法， 本章建立了重要的概念，如输入和输出阻抗、偏置，以及小信号分析。在写这本书的时候，我考虑过将第5章分成两章，一章是关于上述基本概念的，另一章是关于双极型放大器拓扑结构的，这样偏爱MOS电路的教师可以跳过后一章。然而，讲解基本概念确实需要借助于晶体管，这使得分成两章存在困难。第5章通过“如果……会怎样?”的例题，慢慢地逐步展开，反复加强基本概念的综合运用，并研究不同的电路拓扑结构。和第2、4章一样，教师可以加快讲授的进度，并将大部分内容留给学生自己阅读。在学季制中，我会讲解本章所有的内容，并反复强调图57所示的概念(从基极、发射极或集电极看到的阻抗)。这一章大约分配两周(也许是两周半)的时间，课程必须仔细设计，以确保课上能够讲完主要的概念。

第6章与第4章类似，是作为电压控制电流源来介绍MOSFET的，并推导了其特性。同样由于讲解主题时的时间有限，我只是简要介绍了体效应和速度饱和，而且在本书的其余部分忽略了这些效应。这一章我在第一学季的课程中都会讲。
第7章在第5章的基础上以较快的节奏介绍了MOS放大器。这一章我在
第一学季的课程中都会讲。
第8章对于运算放大器电路的编写方式是允许教师按任意的顺序进行讲授。我个人倾向于在放大器电路拓扑结构学完之后再进行这一章的讲解，使得学生对运算放大器的内部电路及其增益限制有一些初步的了解。可以在第一学季课程接近尾声的时候讲授本章，也能使运算放大器更接近差分放大器(第10章)，从而使学生体会两者的相关性。这一章我在第一学季的课程中都会讲。
第9章是迈向集成电路设计的关键一步。串接组态和电流镜的学习也为在第10章中构建有源负载串接组态差分对打下了必要的基础。从本章开始，将同时介绍双极型和MOS电路，并指出它们的相同与不同之处。在第二学季的微电子学课程中，我大约会用两个星期讲解本章的全部内容。
第10章介绍差分放大器的大信号和小信号行为。学生可能会奇怪为什么我们不在第5章和第7章中学习各种放大器的大信号行为；所以我会解释，差分对是一种能处理大信号和小信号的全能型电路。在第二学季的课程中，我会讲解本章的全部内容。

第11章首先复习了如波特法则等的基本概念，然后介绍了晶体管的高频模型，并且分析了基本放大器的频率响应。在第二学季的课程中，我会讲解本章的全部内容。

第12章用大量的篇幅循序渐进地分析反馈电路的步骤，尤其是在必须考虑输入和输出负载效应的情况下。
这是因为学生求出反馈电路是微电子学本科课程中最难的题目。
与第2章和第5章类似，本章有意放慢节奏，通过例题使学生熟练掌握每一个概念。在第二学季的课程中，我会讲解本章的全部内容。
第13章介绍了分立和集成的振荡器。这些电路在实际应用中都很重要，同时也有助于进一步理解之前教过的反馈的概念。在学期制的课程中讲解本章内容时间较充裕。

第14章学习的电路能够提供更高的功率。分析了例如推挽电路拓扑结构及其局限性。在学期制的课程中可以讲解本章内容。
第15章介绍了无源和有源滤波器的基本概念，为学生进一步的专业学习打基础。在学期制的课程中讲解本章内容时间充裕。
第16章是为微电子学课程编写的，其中包括为后续课程作准备的数字电路简介。考虑到学季和学期制的时间限制，我跳过了TTL和ECL电路。
第17章是为在讲授双极型电路之前先讲授CMOS电路的课程安排而编写的。如前所述，本章紧接在MOS器件物理机理之后， 实质上与第5章一样，只是换成了MOS的对应内容。

习题集。除了大量的例题，每章最后还提供了习题，其中标有“*”“**”的习题，代表难度增加。 。对于书中每一章节的概念，从简单的习题开始，逐渐提高难度。除了器件的物理原理章节外，所有章节还提供了一套设计习题，鼓励学生“逆向”工作，选取电路的偏置以及、或者是器件的值，以满足一定的电路要求。
SPICE
一些基础电路理论课程可能会让学生接触到SPICE，然而这在第一学季的微电子学课程中，学生才能认识到仿真工具的重要。本书的附录介绍了SPICE，并借助于众多的例题介绍了电路仿真。此处的目标是希望学生掌握SPICE命令子集，其能够仿真大多数的电路。由于课时有限，在学季中期，我会请助教在特别晚间课上讲解SPICE，这会在我开始布置SPICE习题之前。
大多数章节都包含SPICE习题，但我喜欢在第一学季课程的后半部分(接近第5章的结尾)介绍SPICE。这有两个原因:①学生必须先建立起基本的理解和分析能力，即必须通过作业掌握基本概念;②如果电路中包含相对较多的器件(例如,例510)，学生对于SPICE的实用性体会会更好一些。
作业和考试
在学季制中，我会在期中考试前和后各布置四次作业。作业大部分是基于书上的习题集，包括中等难度到高难度的习题，因此要求学生首先自己完成较简单的习题。
考试题目通常是书中习题的“变化”。为了鼓励学生完成书中每一章最后的所有习题，我会告诉学生，有一道考试题和书中的习题一字不差。考试是开卷的，但我建议学生将重要方程式总结在一张纸上。

毕查德·拉扎维

2020年9月