加州大學(xué)洛杉磯分校開(kāi)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)穩定的全固態(tài)熱晶體管，它使用電場(chǎng)來(lái)控制半導體器件的熱運動(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，詳細介紹了該設備的工作原理及其潛在應用。該晶體管具有很高的速度和性能，可以通過(guò)原子級設計和分子工程開(kāi)辟計算機芯片熱管理的新領(lǐng)域。這一進(jìn)展還可以進(jìn)一步了解人體如何調節熱量。

該研究的合著(zhù)者、加州大學(xué)洛杉磯分校薩穆埃利工程學(xué)院機械和航空航天工程教授胡永杰說(shuō)：「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(cháng)期以來(lái)的一個(gè)卻難以實(shí)現的夢(mèng)想，這種新的設計原理朝這個(gè)方向邁出了一大步，因為它通過(guò)電場(chǎng)的開(kāi)關(guān)來(lái)管理熱運動(dòng)，就像幾十年來(lái)電子晶體管的做法一樣?！?/p>

電子晶體管是現代信息技術(shù)的基礎構建模塊。它們最初由貝爾實(shí)驗室在 20 世紀 40 年代開(kāi)發(fā)，具有三個(gè)電極——柵極、源極和漏極，當通過(guò)柵極施加電場(chǎng)時(shí)，它會(huì )調節電流（以電子形式）如何通過(guò)芯片，這些半導體器件可以放大或切換電信號和功率。但隨著(zhù)多年來(lái)晶體管尺寸不斷縮小，一塊芯片上可以安裝數十億個(gè)晶體管，從而導致電子運動(dòng)產(chǎn)生更多熱量，從而影響芯片性能。傳統的散熱器被動(dòng)地將熱量從熱點(diǎn)處吸走，但尋找更動(dòng)態(tài)的控制來(lái)主動(dòng)調節熱量仍然是一個(gè)挑戰。

盡管人們在調節熱導率方面做出了努力，但由于對移動(dòng)部件、離子運動(dòng)或液體溶液成分的依賴(lài)，它們的性能受到了影響。這導致熱運動(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(wèn)題以及與半導體制造的不兼容性。

新型熱晶體管具有場(chǎng)效應（通過(guò)施加外部電場(chǎng)來(lái)調制材料的熱導率）和全固態(tài)（無(wú)移動(dòng)部件），具有高性能并與半導體集成電路兼容制造工藝。該團隊的設計結合了原子界面上電荷動(dòng)力學(xué)的場(chǎng)效應，從而可以使用可忽略不計的功率來(lái)連續切換和放大熱通量，從而實(shí)現高性能。

加州大學(xué)洛杉磯分校團隊展示了電門(mén)控熱晶體管，該晶體管實(shí)現了創(chuàng )紀錄的高性能，開(kāi)關(guān)速度超過(guò) 1 兆赫茲，即每秒 100 萬(wàn)個(gè)周期。它們還提供 1,300% 的熱導可調性以及超過(guò) 100 萬(wàn)次開(kāi)關(guān)周期的可靠性能。

「這項工作是出色合作的結果，我們能夠利用對分子和界面的詳細了解，在控制重要材料特性方面邁出重要一步，并具有對現實(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)能夠將熱開(kāi)關(guān)效應的速度和規模比以前提高幾個(gè)數量級?！?/p>

在該團隊的概念驗證設計中，制造了一個(gè)自組裝分子界面，并充當熱運動(dòng)的管道。通過(guò)第三端子門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉電場(chǎng)可以控制原子界面上的熱阻，從而允許熱量精確地穿過(guò)材料。

研究人員通過(guò)光譜實(shí)驗驗證了晶體管的性能，并進(jìn)行了第一性原理理論計算，解釋了場(chǎng)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能源的可擴展技術(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的層面上，該平臺可以為活細胞的分子水平機制提供見(jiàn)解，」胡補充道。

該論文的其他作者均來(lái)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生研究院、阿爾弗雷德·斯隆基金會(huì )和美國國家科學(xué)基金會(huì )的資助。技術(shù)支持由加州大學(xué)洛杉磯分校納米實(shí)驗室和加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統研究所提供，計算資源由加州大學(xué)洛杉磯分校數字研究與教育研究所和高級網(wǎng)絡(luò )基礎設施協(xié)調生態(tài)系統提供。