加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)出全固態(tài)熱晶體管

加州大學(xué)洛杉磯分校的一組研究人員推出了首個(gè)穩(wěn)定的全固態(tài)熱晶體管，它使用電場來控制半導(dǎo)體器件的熱運(yùn)動(dòng)。

該小組的研究成果將發(fā)表在 11 月 3 日的《科學(xué)》雜志上，詳細(xì)介紹了該設(shè)備的工作原理及其潛在應(yīng)用。該晶體管具有很高的速度和性能，可以通過原子級設(shè)計(jì)和分子工程開辟計(jì)算機(jī)芯片熱管理的新領(lǐng)域。這一進(jìn)展還可以進(jìn)一步了解人體如何調(diào)節(jié)熱量。

該研究的合著者、加州大學(xué)洛杉磯分校薩穆埃利工程學(xué)院機(jī)械和航空航天工程教授胡永杰說：「精確控制熱量如何流經(jīng)材料一直是物理學(xué)家和工程師長期以來的一個(gè)卻難以實(shí)現(xiàn)的夢想，這種新的設(shè)計(jì)原理朝這個(gè)方向邁出了一大步，因?yàn)樗ㄟ^電場的開關(guān)來管理熱運(yùn)動(dòng)，就像幾十年來電子晶體管的做法一樣?！?/p>

電子晶體管是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊。它們最初由貝爾實(shí)驗(yàn)室在 20 世紀(jì) 40 年代開發(fā)，具有三個(gè)電極——柵極、源極和漏極，當(dāng)通過柵極施加電場時(shí)，它會調(diào)節(jié)電流（以電子形式）如何通過芯片，這些半導(dǎo)體器件可以放大或切換電信號和功率。但隨著多年來晶體管尺寸不斷縮小，一塊芯片上可以安裝數(shù)十億個(gè)晶體管，從而導(dǎo)致電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生更多熱量，從而影響芯片性能。傳統(tǒng)的散熱器被動(dòng)地將熱量從熱點(diǎn)處吸走，但尋找更動(dòng)態(tài)的控制來主動(dòng)調(diào)節(jié)熱量仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

盡管人們在調(diào)節(jié)熱導(dǎo)率方面做出了努力，但由于對移動(dòng)部件、離子運(yùn)動(dòng)或液體溶液成分的依賴，它們的性能受到了影響。這導(dǎo)致熱運(yùn)動(dòng)的切換速度緩慢，大約為幾分鐘或更慢，從而產(chǎn)生性能可靠性問題以及與半導(dǎo)體制造的不兼容性。

新型熱晶體管具有場效應(yīng)（通過施加外部電場來調(diào)制材料的熱導(dǎo)率）和全固態(tài)（無移動(dòng)部件），具有高性能并與半導(dǎo)體集成電路兼容制造工藝。該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)結(jié)合了原子界面上電荷動(dòng)力學(xué)的場效應(yīng)，從而可以使用可忽略不計(jì)的功率來連續(xù)切換和放大熱通量，從而實(shí)現(xiàn)高性能。

加州大學(xué)洛杉磯分校團(tuán)隊(duì)展示了電門控?zé)峋w管，該晶體管實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高性能，開關(guān)速度超過 1 兆赫茲，即每秒 100 萬個(gè)周期。它們還提供 1,300% 的熱導(dǎo)可調(diào)性以及超過 100 萬次開關(guān)周期的可靠性能。

「這項(xiàng)工作是出色合作的結(jié)果，我們能夠利用對分子和界面的詳細(xì)了解，在控制重要材料特性方面邁出重要一步，并具有對現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生影響的潛力，」共同作者，化學(xué)和生物化學(xué)教授保羅·韋斯 (Paul Weiss) 表示：「我們已經(jīng)能夠?qū)衢_關(guān)效應(yīng)的速度和規(guī)模比以前提高幾個(gè)數(shù)量級?！?/p>

在該團(tuán)隊(duì)的概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)中，制造了一個(gè)自組裝分子界面，并充當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)的管道。通過第三端子門打開和關(guān)閉電場可以控制原子界面上的熱阻，從而允許熱量精確地穿過材料。

研究人員通過光譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了晶體管的性能，并進(jìn)行了第一性原理理論計(jì)算，解釋了場對原子和分子特性的影響。

該研究提出了芯片制造和性能方面可持續(xù)能源的可擴(kuò)展技術(shù)創(chuàng)新。胡表示，這個(gè)概念還提供了一種理解人體熱量管理的新方法。

「在非?；A(chǔ)的層面上，該平臺可以為活細(xì)胞的分子水平機(jī)制提供見解，」胡補(bǔ)充道。

該論文的其他作者均來自加州大學(xué)洛杉磯分校，包括 Man Li、Huan Wu、Erin Avery、Zihaoqin、Dominic Goronzy、Huu Duy Nguyen 和 Tianhan Liu。胡和韋斯還隸屬于加州納米系統(tǒng)研究所以及加州大學(xué)洛杉磯分校薩穆埃利分校的生物工程和材料科學(xué)與工程系。

該研究得到了美國國立衛(wèi)生研究院、阿爾弗雷德·斯隆基金會和美國國家科學(xué)基金會的資助。技術(shù)支持由加州大學(xué)洛杉磯分校納米實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究所提供，計(jì)算資源由加州大學(xué)洛杉磯分校數(shù)字研究與教育研究所和高級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)提供。