Траншейные транзисторы (trench-транзисторы)

Траншейные транзисторы (Trench Transistors) — это тип полевых транзисторов (MOSFET), в которых затвор (gate) размещается в вертикальной траншее (trench), вытравленной в полупроводниковой подложке. Такая конструкция позволяет улучшить характеристики устройства по сравнению с традиционными планарными транзисторами, особенно в плане плотности размещения элементов и эффективности работы. Траншейные транзисторы широко используются в силовой электронике, микропроцессорах и других устройствах, где важны компактность и высокая производительность.

 

Основные особенности траншейных транзисторов

1. Вертикальная структура:

   • В отличие от планарных транзисторов, где затвор расположен горизонтально на поверхности подложки, в траншейных транзисторах затвор размещается в вертикальной траншее.

   • Это позволяет увеличить площадь затвора без увеличения занимаемой площади на кристалле, что повышает плотность элементов.

2. Преимущества:

   • Высокая плотность элементов: Вертикальная структура позволяет размещать больше транзисторов на единицу площади.

   • Улучшенные электрические характеристики: Большая площадь затвора снижает сопротивление в открытом состоянии (Rds(on)) и улучшает управление током.

   • Эффективное теплоотведение: Вертикальная конструкция способствует лучшему распределению тепла.

   • Высокая скорость переключения: Траншейные транзисторы могут работать на высоких частотах, что делает их пригодными для высокопроизводительных приложений.

3. Принцип работы:

   • Траншейный транзистор, как и обычный MOSFET, управляется напряжением на затворе.

   • При подаче напряжения на затвор в канале между истоком (source) и стоком (drain) формируется проводящий слой, позволяющий току течь.

   • Вертикальная структура позволяет минимизировать паразитные эффекты и улучшить управление током.

 

Технология изготовления

1. Формирование траншеи:

   • На поверхности кремниевой подложки с помощью фотолитографии и травления создаются глубокие вертикальные траншеи.

   • Глубина и ширина траншеи тщательно контролируются, так как они влияют на характеристики транзистора.

2. Создание затвора:

   • Внутренние стенки траншеи покрываются тонким слоем диэлектрика (обычно оксида кремния SiO₂), который служит изолятором.

   • Затем траншея заполняется проводящим материалом (например, поликремнием), который формирует затвор.

3. Формирование истока и стока:

   • Исток и сток создаются путём легирования областей кремния вокруг траншеи.

   • В вертикальных транзисторах сток часто располагается на нижней стороне подложки, а исток — на верхней.

4. Металлизация:

   • На завершающем этапе формируются металлические контакты для подключения истока, стока и затвора.

 

Применение траншейных транзисторов

1. Силовая электроника:

   • Траншейные транзисторы широко используются в силовых MOSFET и IGBT (биполярных транзисторах с изолированным затвором) для управления высокими токами и напряжениями.

   • Они применяются в импульсных источниках питания, инверторах, двигателях и других устройствах.

2. Микропроцессоры и память:

   • В современных процессорах и чипах памяти траншейные транзисторы позволяют увеличить плотность элементов и снизить энергопотребление.

   • Например, в DRAM-памяти траншейные транзисторы используются для создания компактных ячеек памяти.

3. Высокочастотные устройства:

   • Благодаря высокой скорости переключения траншейные транзисторы применяются в радиочастотных (RF) устройствах и телекоммуникационном оборудовании.

 

Сравнение с планарными транзисторами

Характеристика	Планарные транзисторы	Траншейные транзисторы
Плотность элементов	Низкая	Высокая
Сопротивление Rds(on)	Выше	Ниже
Скорость переключения	Умеренная	Высокая
Сложность изготовления	Проще	Сложнее
Применение	Универсальное	Силовая электроника, процессоры, память

 

Перспективы развития

1. Уменьшение размеров:

   • С развитием технологий (например, FinFET и GAAFET) траншейные транзисторы продолжают уменьшаться в размерах, что позволяет увеличить плотность элементов.

2. Интеграция с новыми материалами:

   • Использование новых материалов, таких как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), позволяет создавать траншейные транзисторы с ещё более высокими характеристиками.

3. 3D-транзисторы:

   • Траншейные транзисторы являются предшественниками более сложных 3D-структур, таких как FinFET, которые активно используются в современных процессорах.

 

Итог

Траншейные транзисторы представляют собой важный этап в развитии полупроводниковых технологий. Их вертикальная структура позволяет достичь высокой плотности элементов, улучшенных электрических характеристик и эффективного теплоотведения. Благодаря этим преимуществам они нашли широкое применение в силовой электронике, микропроцессорах и других высокотехнологичных устройствах.