教指委规划教材|《电子材料信息科学与技术》
- 2026-11-08 13:59:50
《电子材料信息科学与技术》
刘马良、陈华、齐佩汉、陈伯孝
定价: 159元
内容简介
本教材全面覆盖电子信息材料与集成电路的核心知识，构建从材料制备到系统应用的完整技术链条。具体内容包括半导体材料与器件、电子线路技术基础、双极性晶体管与场效应晶体管原理及应用、模拟集成电路设计分析方法与实现、数字电子技术基础、Verilog设计与数字电路物理实现、射频收发机系统应用等。
第1章
本章将系统阐述从电子材料、器件原理到电路设计的技术链条，帮助读者建立从微观机制到宏观应用的完整认知体系，为未来在电子信息技术领域的研究奠定理论基础。
第2章
本章介绍“电子线路技术基础”作为电子与电气信息类专业的核心基础课程，是电路理论与电子技术工程的人门课程。对于芯片行业从业者来说，电子线路技术基础是学习数字集成电器和模拟集成电路的理论储备。
第3章
本章双极性晶体管与场效应管作为半导体工业的基石，其技术演进直接定义了现代电子产业的发展轨迹。其高跨导特性在射频功率放大、高速开关等专业领域仍保持不可替代的地位--从5G基站射频前端到毫米波雷达系统，双极结型晶体管(BJT)的高频响应能力持续支撑着无线通信技术的迭代。
第4章
本章聚焦模拟集成电路设计中的级联、反馈、噪声、补偿等技术，学习本章，需扎实掌握集总参数假设下的电路分析法则,并深人理解MOSFET/BJT等有源器件的非线性特性及其小信号模型。
第5章
本章系统讲解从逻辑门、组合/时序电路到有限状态机的数字系统设计方法，培养学生扎实的IC设计能力，为后续学习模拟电路、Verilog设计、系统级芯片(SoC)及现场可编程门阵列(FPGA)奠定基础。
第6章
本章将从Verilog的基础语法出发，逐步引导读者掌握模块化设计、时序逻辑建模、仿真验证等关键技能，为后续深人学习SoC设计、硬件加速器开发乃至自定义处理器架构打下坚实的语言基础。
第7章
现代电子系统的功能实现建立在基础电路技术的系统化整合之上。第7章以此为基础，聚焦射频收发器系统设计，解析多技术模块在架构中的互联与协同，展现基础电路技术如何通过系统级集成来赋能现代无线通信与感知应用。
本教材理论与实践结合，包含丰富例题与习题，适合半导体、电子信息工程等专业读者学习，为其深入掌握电子材料、器件设计与系统应用奠定坚实基础。
作者简介
刘马良
华山领军教授、博士生/硕士生导师、国家级人才，现任合肥国家实验室研究员、西安电子科技大学量子科技交叉研究院常务副院长（量子科技领域负责人）、海南大学电子科学与技术学院院长。2004—2011年在西安电子科技大学获电子信息工程学士学位和雷达专业硕士学位，2015年获微电子学博士学位。长期从事量子计算与量子精密测量、混合信号集成电路设计研究。主持国家科技重大专项、国家工程项目、国家自然科学基金青年及面上项目、博士后基金、国防ZQ基金（2022）、陕西省杰出青年科学基金（2021）和陕西省青年科技新星（2020）等项目20余项。在Physical Review Letters、Nature Physics、IEEE JSSC、IEEE TCAS I/II、IEEE TMTT等期刊发表论文60余篇，获授权国家发明专利40余项。相关成果入选2025年度中国科学十大进展和中国航天科技集团十大进展，并获中国电子学会自然科学一等奖、陕西省科学技术一等奖等；指导研究生获得“中国研究生创芯大赛”特等奖、一等奖及中国研究生电子设计大赛一等奖等多项奖励。
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第1章绪论
1.1半导体材料
1.1.1半导体材料的分类
1.1.2半导体材料的制备
1.1.3半导体的导电特性
1.2半导体器件
1.2.1pn结的结构和基本原理
1.2.2双极结型晶体管的结构和基本原理
1.2.3场效应管的结构和基本原理
1.2.4器件的制作过程
1.3集成电路与系统
1.3.1集成电路的基本组成和分类
1.3.2电路系统设计和开发流程
1.4小结与展望
习题
参考文献
第2章电子线路技术基础
2.1电路的基本规律
2.1.1电路概念
2.1.2电路的主要物理量
2.1.3电阻
2.1.4基尔霍夫电压、电流定律
2.1.5电路等效
2.1.6电源
2.1.7电源等效
2.2电阻电路分析
2.2.1图与电路
2.2.2电路分析方法
2.2.3回路法和网孔法
2.2.4支路法
2.2.5节点法
2.2.6叠加定理
2.2.7替代定理
2.2.8等效电源定理
2.2.9特勒根定理
2.2.10互易定理
2.2.11电路的对偶性
2.3动态电路
2.3.1动态元件
2.3.2动态电路方程及其解
2.3.3动态电路的响应
2.3.4三要素法
2.3.5二阶电路分析
2.3.6滤波器
2.4电路的频率响应和谐振现象
2.4.1RLC的相量形式
2.4.2阻抗和导纳
2.4.3频率响应与网络函数
2.4.4一阶电路和二阶电路的频率响应
2.4.5串联谐振电路
2.4.6并联谐振电路
2.4.7简单的并联谐振电路
2.4.8复杂的并联谐振电路
2.5小结与展望
习题
参考文献
第3章双极性晶体管与场效应管原理及其应用
3.1双极性晶体三极管
3.1.1工作原理
3.1.2输出特性
3.1.3输入特性
3.1.4低频小信号简化模型
3.2双极性晶体管放大电路
3.2.1单级放大器
3.2.2BJT/BiCMOS差分放大器
3.2.3带隙基准电路
3.3MOS晶体管的工作原理
3.3.1工作原理
3.3.2输入输出特性
3.3.3转移特性
3.3.4小信号模型
3.3.5二级效应
3.4MOS晶体管的应用
3.4.1单级放大器
3.4.2CMOS运算放大器
3.4.3电流镜与偏置技术
3.5小结与展望
习题
参考文献
第4章模拟集成电路设计分析方法与实现
4.1单级放大器的级联
4.1.1级间耦合方式
4.1.2级联的组合原则
4.1.3共源共栅极放大器
4.2模拟集成电路的反馈技术
4.2.1反馈的基本概念
4.2.2正反馈、负反馈的分辨
4.2.3反馈类型的分辨
4.2.4反馈电路特性
4.3稳定性与频率补偿
4.3.1系统稳定性概述
4.3.2多极点系统
4.3.3相位裕度
4.3.4频率补偿
4.4模拟集成电路中的噪声
4.4.1噪声的统计分布
4.4.2噪声源
4.4.3电路中噪声的表示
4.5模拟集成电路的应用
4.5.1运算放大器的理想模型与有源器件分类
4.5.2集成运算放大器基本应用电路
4.6小结与展望
习题
参考文献
第5章数字电子技术基础
5.1数字电路基础
5.1.1常用数制
5.1.2数制间的转换
5.1.3二进制算术运算
5.1.4常用的编码类型
5.1.5三种基本的逻辑关系
5.1.6复合逻辑运算
5.1.7逻辑函数及其表示方法
5.1.8逻辑函数的两种标准形式
5.1.9逻辑函数的化简方法
5.2CMOS集成逻辑门电路
5.2.1简介
5.2.2MOS管开关电路
5.2.3CMOS反相器
5.2.4CMOS逻辑门
5.3组合逻辑电路
5.3.1组合逻辑电路的分析与设计
5.3.2常用的组合逻辑器件及应用
5.3.3组合逻辑电路中的竞争与冒险
5.3.4组合逻辑电路的性能优化
5.3.5减小晶体管数目的结构
5.4触发器
5.4.1概述
5.4.2基本RS触发器
5.4.3时钟控触发器
5.4.4触发器的动态特性
5.5时序逻辑电路
5.5.1时序逻辑电路概述
5.5.2时序逻辑电路的分析方法
5.5.3时序逻辑电路的设计方法
5.5.4时序逻辑电路的应用
5.6小结与展望
习题
参考文献
第6章Verilog设计与数字电路物理实现
6.1Verilog简介
6.1.1Verilog语言的基本介绍
6.1.2Verilog基本语法
6.2Verilog设计
6.2.1模块
6.2.2建模
6.2.3基本电路设计
6.2.4验证
6.3Modelsim仿真流程
6.3.1原理介绍
6.3.2代码编写
6.3.3新建工程
6.3.4瞬态仿真
6.4数字综合与物理设计
6.4.1数字综合基础
6.4.2时序路径与静态时序分析
6.4.3时序约束与综合优化
6.4.4物理设计基础
6.4.5物理设计具体实现方式
6.5设计实例与实践项目
6.5.1综合工具的使用
6.5.2设计实例总结
6.5.3ASIC设计流程
6.5.4FPGA设计流程
6.6小结与展望
习题
参考文献
第7章射频收发机系统应用
7.1引言
7.2射频接收机
7.2.1超外差接收机
7.2.2零中频接收机
7.2.3低中频接收机
7.2.4其他结构的接收机
7.2.5接收机的主要性能指标
7.3射频发射机
7.3.1超外差式发射机
7.3.2直接上变频发射机
7.3.3其他结构的发射机
7.3.4射频发射机的主要性能指标
7.4雷达的基本工作原理
7.4.1雷达的工作原理
7.4.2基本组成
7.4.3主要战术指标
7.5雷达信号波形与信号处理
7.5.1雷达信号的分类
7.5.2模糊函数与雷达分辨理论
7.5.3单载频脉冲信号的模糊函数
7.5.4线性调频脉冲信号及其脉压处理
7.6动目标显示
7.6.1动目标显示/动目标检测的性能指标
7.6.2动目标显示的原理
7.6.3延迟线对消器
7.7雷达方程
7.7.1基本雷达方程
7.7.2雷达方程的几种形式
7.8雷达的应用
7.8.1雷达在军事方面的应用
7.8.2雷达的民用领域
7.9现代通信系统
7.9.1通信系统的组成
7.9.2通信系统的主要性能指标
7.10信道与噪声
7.10.1信道数学模型
7.10.2信道的传输特性
7.11模拟信号的调制与数字传输
7.11.1调制类型及分析
7.11.2采样定理与脉冲调制
7.12数字信号传输系统
7.12.1数字基带传输原理与关键技术
7.12.2数字频带传输原理与关键技术
7.13现代数字接收调制与解调技术
7.13.1数字信号接收机及基带传输系统
7.13.2数字信号调制与解调
7.14本章小结
参考文献
习题答案
丛书编委会
专家委员会主任：
郝跃 中国科学院院士 西安电子科技大学
主编：
周益春 教授 西安电子科技大学
专家委员会和编委成员(按姓名拼音排序)：
陈延峰 中国科学院院士 南京大学
褚君浩 中国科学院院士 中国科学院上海技术物理研究所
崔铁军 中国科学院院士 东南大学
邓龙江 中国工程院院士 电子科技大学
傅正义 中国工程院院士 武汉理工大学
蒋成保 中国科学院院士 北京航空航天大学
林元华 中国科学院院士 清华大学
刘永坚 中国工程院院士 中国人民解放军93184部队
毛军发 中国科学院院士 深圳大学
南策文 中国科学院院士 清华大学
邱志明 中国工程院院士 中国人民解放军91054部队
孙宝德 中国工程院院士 上海交通大学
严纯华 中国科学院院士 兰州大学
杨德仁 中国科学院院士 浙江大学
张联盟 中国工程院院士 武汉理工大学
周 济 中国工程院院士 清华大学
邹志刚 中国科学院院士 南京大学
耿 林 教授 哈尔滨工业大学
李金山 教授 西北工业大学
廖庆亮 教授 北京科技大学
林 媛 教授 电子科技大学
刘 仕 教授 西湖大学
刘马良 教授 西安电子科技大学
麦立强 教授 武汉理工大学
单智伟 教授 西安交通大学
杨 丽 教授 西安电子科技大学
赵 翔 教授 西安交通大学
朱铁军 教授 浙江大学
丛书序
电子信息产业是彰显国家现代化、科技进步、经济水平、综合实力与核心竞争力的重要标志。它以前所未有的速度从国家新兴产业、支柱产业发展成为大国崛起乃至世界竞争的制高与抢占产业。以电子、光子及相互作用而实现信息产生、传输、存储、显示、探测及处理的电子材料,是各类电子元器件、电子系统与装备(即电子信息产业)的基础与先导,被列为国家信息化战略发展以及工程科技材料领域的核心基础。培养电子材料特色的高水平材料类应用型及研究型人才,是确保我国电子材料基础与先导能力、支撑电子信息产业崛起甚至世界领先的必然要求,也被国务院学位委员会办公室列为新材料类人才培养的急缺方向。
材料学科是于1957年提出,并逐渐形成以研究材料成分、结构、制备、性能与应用的新兴学科。它有三个重要特性:一是“科学”和“工程”结合,既需要基础研究,又需要应用研究;二是多学科交叉,需要和物理、化学、冶金学、计算科学(包括数学)等学科相互融合与交叉;三是发展中的学科,材料的种类繁多、日新月异,其基础理论、关键技术甚至学科基础都不尽相同。我国材料科学起源于金属、陶瓷、高分子等结构材料,科学研究与产业技术相对成熟,材料类人才培养也形成了金属、陶瓷、高分子等三大特色体系,相应的教材也是围绕这三大体系所需的晶体结构、相图、加工、表征、服役等知识体系而建设。
利用电子运动效应及其受力、热、光、电、磁等载荷而发生性质改变的电子材料,表现出与金属、无机非、高分子显著不同的几大特性。一是显著依赖物理学科的基础理论与研究方法。电子材料不仅仅需要了解电子运动的电动力学、统计物理、量子力学等基础物理理论,电子装备、系统与元器件的微小化还高度依赖于电子相对论效应、原子层级的电子相互作用等,同时还需要发展电子、原子层级的实验表征方法。二是尤其需要微观结构与宏观性能关联的理论与方法。电子运动尤其是原子层级电子材料中电子的运动,微观上需要掌握只有几个原子层厚度的二维材料的刻画理论与表征方法,宏观上又往往体现在信息的存储、传输、转换等性能,现代电子材料的性能极其依赖微观设计与调控机理,迫切需要微观结构与宏观性能关联的理论与方法。三是电子材料要应用于电子元器件与系统,需要掌握数字电路、模拟电路、集成电路以及电子元器件等相关的原理、理论与方法。因此,现有从金属、无机非、高分子等研究需求出发的材料类教材体系,不能完全适应和满足电子材料的人才培养需求。
基于电子材料类人才培养的重要性、迫切性以及现有教材体系的不适应性,我们从电子材料类人才培养的化学、物理、材料科学、表征、计算以及器件知识需求出发,邀请了国内长期从事材料学科人才培养以及电子材料研究的教育工作者,编著了这套面向本科生的电子材料系列教材,包括《电子材料科学基础》 《电子材料理论物理导论》 《电子材料化学》 《电子材料固体力学》 《电子材料计算》 《电子材料信息科学与技术导论》 《电子材料表征技术》等,涵盖了电子材料的基础理论、设计制备、表征方法、服役行为及其器件与系统基础等各个方面,为电子材料类人才培养提供系统、完整的教材体系。同时,这套教材也凝练了电子材料的前沿创新成果,也可成为研究生、科研工作者以及产业界工程技术人才的参考用书,为推动电子材料领域人才培养、科学研究以及产业发展奠定坚实基础。
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编辑：李孺彬
审核：刘利
