研究人员开发固态热晶体管以改善热管理

加州大学洛杉矶分校开发的固态热晶体管使用电场来控制热运动的图示

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的一组研究人员推出了一种首创的稳定全固态热晶体管，该晶体管使用电场来控制半导体器件的热运动。

该小组的研究发表在《科学》杂志上，详细介绍了该设备的工作原理及其潜在应用。凭借最高的速度和性能，该晶体管可以通过原子级设计和分子工程为计算机芯片的热管理开辟新的领域。这一进展还可以进一步加深对人体热量调节方式的理解。

该研究的合著者、加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院机械与航空航天工程教授胡永杰说:“对热流如何通过材料的精确控制一直是物理学家和工程师长期以来难以实现的梦想。”

“这种新的设计原理在这方面迈出了一大步，因为它通过电场的开关来管理热运动，就像几十年来使用电晶体管所做的那样。”

电晶体管是现代信息技术的基本组成部分。它们最初是由贝尔实验室在20世纪40年代 开发的，有三个终端——一个栅极、一个源极和一个汇极。当电场通过栅极施加时，它调节电(以电子的形式)如何通过芯片移动。

这些半导体器件可以放大或切换电信号和功率。但随着它们的尺寸不断缩小，一个芯片上可以容纳数十亿个晶体管，导致电子运动产生更多的热量，从而影响芯片的性能。传统的散热器被动地从热点吸收热量，但找到一个更动态的控制来主动调节热量仍然是一个挑战。

虽然在调整热导率方面已经做出了努力，但由于依赖于运动部件、离子运动或液体溶液成分，它们的性能受到了影响。这导致热运动的切换速度缓慢，大约几分钟或更慢，造成性能可靠性问题以及与半导体制造不兼容。

这种新型热敏晶体管具有场效应(通过施加外部电场来调制材料的热导率)和全固态(没有移动部件)，具有高性能，并且与半导体制造工艺中的集成电路兼容。该团队的设计结合了原子界面电荷动力学的场效应，以实现使用可忽略不计的功率来连续切换和放大热流的高性能。

加州大学洛杉矶分校的研究小组展示了电门控热晶体管，其开关速度超过1兆赫兹，即每秒100万次，达到了创纪录的高性能。它们还提供了1,300%的热导可调性和超过100万次开关循环的可靠性能。

“这项工作是一次了不起的合作的结果，我们能够利用我们对分子和界面的详细了解，在控制重要材料特性方面迈出了重要的一步，并有可能对现实世界产生影响，”共同作者，化学和生物化学教授Paul Weiss说。“我们已经能够将热交换效应的速度和大小提高到以前可能的数量级。”

在团队的概念验证设计中，制造了一个自组装的分子界面，作为热运动的管道。通过第三端栅极打开和关闭电场控制原子界面上的热阻，从而允许热量精确地穿过材料。研究人员通过光谱实验验证了晶体管的性能，并进行了第一性原理理论计算，以解释场对原子和分子特性的影响。

该研究提出了一种可扩展的技术创新，用于芯片制造和性能的可持续能源。胡教授认为，这一概念也为理解人体热管理提供了一种新的途径。

“在最基本的层面上，该平台可以为活细胞的分子水平机制提供见解，”胡教授补充说。