熱晶體管有望快速冷卻芯片

《半導(dǎo)體芯科技》雜志文章

電子晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心。雖然電子晶體管可以精確控制電流，但在此過(guò)程中它們會(huì)產(chǎn)生熱量?，F(xiàn)在，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種固態(tài)熱晶體管，這是同類器件中第一個(gè)可以使用電場(chǎng)來(lái)控制其中熱量流動(dòng)的。他們的研究2023年11月發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

“工程師和科學(xué)家強(qiáng)烈希望像控制電子設(shè)備一樣控制傳熱，但這非常具有挑戰(zhàn)性。”該研究論文的主要作者、UCLA機(jī)械和航空航天工程教授Yongjie Hu說(shuō)。

△UCLA開(kāi)發(fā)的熱晶體管使用電場(chǎng)來(lái)控制熱流。來(lái)源：H-LAB/UCLA

一直以來(lái)，電子產(chǎn)品都是通過(guò)散熱器被動(dòng)地將多余的熱量帶走來(lái)降溫的。人們也提出了一些更積極主動(dòng)的熱管理方法，但這些方法通常依賴于移動(dòng)部件或流體，而且可能需要花很長(zhǎng)時(shí)間（通常是幾分鐘到幾小時(shí)）來(lái)提高或降低材料的導(dǎo)熱率。借助熱晶體管，研究人員可以更快、更精確地主動(dòng)調(diào)節(jié)熱流。這使熱晶體管有望成為管理電子器件熱量的理想選擇。

與電子晶體管使用電場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)通道的電導(dǎo)類似，UCLA研究小組的熱晶體管也使用電場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)通道的熱導(dǎo)。研究人員設(shè)計(jì)了籠狀分子薄膜來(lái)調(diào)節(jié)通道的熱導(dǎo)，該薄膜充當(dāng)晶體管的通道；施加電場(chǎng)使薄膜中的分子鍵更強(qiáng)，從而增加其熱導(dǎo)率。

UCLA化學(xué)、生物工程和材料科學(xué)教授、該文章的共同作者Paul Weiss說(shuō)：“實(shí)際上我們的貢獻(xiàn)只是一個(gè)分子厚度的薄膜層?！?/p>

借助這種單分子層，研究人員就能以超過(guò)1兆赫茲的頻率實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)率的最大變化，比其他熱管理系統(tǒng)快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。分子運(yùn)動(dòng)通常控制其他類型熱開(kāi)關(guān)中的熱流。但與電子運(yùn)動(dòng)相比，分子運(yùn)動(dòng)相當(dāng)緩慢，Weiss解釋說(shuō)。通過(guò)利用電場(chǎng)，研究人員能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)頻率從毫赫茲提高到兆赫茲。

分子運(yùn)動(dòng)也無(wú)法在導(dǎo)通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)那么大的熱傳導(dǎo)差。相比之下，UCLA的熱晶體管實(shí)現(xiàn)了13倍的差異。Weiss說(shuō)：“無(wú)論是幅度還是速度，這都是一個(gè)巨大的差異?！?/p>

該晶體管實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)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1300%的熱導(dǎo)可調(diào)性以及超過(guò)100萬(wàn)次開(kāi)關(guān)周期的可靠性能。

通過(guò)以上這些改進(jìn)，這種熱晶體管對(duì)于冷卻處理器可能至關(guān)重要。這種熱晶體管對(duì)于半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)特別有前途，因?yàn)榕c其他主動(dòng)散熱方法相比，它們使用很小的功耗來(lái)控制熱流。此外，許多熱晶體管也可以像電子晶體管一樣集成在同一芯片上。Hu說(shuō)，特別是，熱晶體管可以有效地管理新型半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中的熱量，例如在3D堆疊小芯片中，它們可以減少熱點(diǎn)，從而為小芯片的設(shè)計(jì)提供更大的自由度。它們還可能有助于冷卻由氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體制成的電力電子器件。Hu還表示，這個(gè)概念還提供了一種理解人體熱量管理的新方法。

Paul Weiss表示：這項(xiàng)工作是出色合作的結(jié)果，我們能夠利用對(duì)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(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生影響的潛力，我們已經(jīng)能夠?qū)衢_(kāi)關(guān)效應(yīng)的速度和規(guī)模比以前提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

該研究提出了在芯片制造和性能方面可持續(xù)可擴(kuò)展的技術(shù)創(chuàng)新。雖然這一概念的驗(yàn)證很有希望，但UCLA的研究人員承認(rèn)，該技術(shù)仍處于開(kāi)發(fā)初期，他們的目標(biāo)是進(jìn)一步提高這種熱晶體管器件的性能。

參考資料

1.Electrically gated molecular thermal switch | Science https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4297?adobe_mc=MCMID=80093549277727036801369131698673845939%7CMCORGID=242B6472541199F70A4C98A6%40AdobeOrg%7CTS=1699466887

2.Thermal Transistors Handle Heat With No Moving Parts - IEEE Spectrum https://spectrum.ieee.org/thermal-transistor

審核編輯 黃宇