加州大學洛杉磯分校開發出全固態熱晶體管

加州大學洛杉磯分校的一組研究人員推出了首個穩定的全固態熱晶體管，它使用電場來控制半導體器件的熱運動。

該小組的研究成果將發表在 11 月 3 日的《科學》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，可以通過原子級設計和分子工程開辟計算機芯片熱管理的新領域。這一進展還可以進一步了解人體如何調節熱量。

該研究的合著者、加州大學洛杉磯分校薩穆埃利工程學院機械和航空航天工程教授胡永杰說：「精確控制熱量如何流經材料一直是物理學家和工程師長期以來的一個卻難以實現的夢想，這種新的設計原理朝這個方向邁出了一大步，因為它通過電場的開關來管理熱運動，就像幾十年來電子晶體管的做法一樣。」

電子晶體管是現代信息技術的基礎構建模塊。它們最初由貝爾實驗室在 20 世紀 40 年代開發，具有三個電極——柵極、源極和漏極，當通過柵極施加電場時，它會調節電流（以電子形式）如何通過芯片，這些半導體器件可以放大或切換電信號和功率。但隨著多年來晶體管尺寸不斷縮小，一塊芯片上可以安裝數十億個晶體管，從而導致電子運動產生更多熱量，從而影響芯片性能。傳統的散熱器被動地將熱量從熱點處吸走，但尋找更動態的控制來主動調節熱量仍然是一個挑戰。

盡管人們在調節熱導率方面做出了努力，但由于對移動部件、離子運動或液體溶液成分的依賴，它們的性能受到了影響。這導致熱運動的切換速度緩慢，大約為幾分鐘或更慢，從而產生性能可靠性問題以及與半導體制造的不兼容性。

新型熱晶體管具有場效應（通過施加外部電場來調制材料的熱導率）和全固態（無移動部件），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力學的場效應，從而可以使用可忽略不計的功率來連續切換和放大熱通量，從而實現高性能。

加州大學洛杉磯分校團隊展示了電門控熱晶體管，該晶體管實現了創紀錄的高性能，開關速度超過 1 兆赫茲，即每秒 100 萬個周期。它們還提供 1,300% 的熱導可調性以及超過 100 萬次開關周期的可靠性能。

「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，并具有對現實世界產生影響的潛力，」共同作者，化學和生物化學教授保羅·韋斯 (Paul Weiss) 表示：「我們已經能夠將熱開關效應的速度和規模比以前提高幾個數量級。」

在該團隊的概念驗證設計中，制造了一個自組裝分子界面，并充當熱運動的管道。通過第三端子門打開和關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驗驗證了晶體管的性能，并進行了第一性原理理論計算，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能源的可擴展技術創新。胡表示，這個概念還提供了一種理解人體熱量管理的新方法。

「在非常基礎的層面上，該平臺可以為活細胞的分子水平機制提供見解，」胡補充道。

該論文的其他作者均來自加州大學洛杉磯分校，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洛杉磯分校薩穆埃利分校的生物工程和材料科學與工程系。

該研究得到了美國國立衛生研究院、阿爾弗雷德·斯隆基金會和美國國家科學基金會的資助。技術支持由加州大學洛杉磯分校納米實驗室和加州大學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洛杉磯分校數字研究與教育研究所和高級網絡基礎設施協調生態系統提供。