热晶体管有望快速冷却芯片

《半导体芯科技》杂志文章

电子晶体管是现代电子产品的核心。虽然电子晶体管可以精确控制电流，但在此过程中它们会产生热量。现在，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员开发出了一种固态热晶体管，这是同类器件中第一个可以使用电场来控制其中热量流动的。他们的研究2023年11月发表在《科学》杂志上。

“工程师和科学家强烈希望像控制电子设备一样控制传热，但这非常具有挑战性。”该研究论文的主要作者、UCLA机械和航空航天工程教授Yongjie Hu说。

△UCLA开发的热晶体管使用电场来控制热流。来源：H-LAB/UCLA

一直以来，电子产品都是通过散热器被动地将多余的热量带走来降温的。人们也提出了一些更积极主动的热管理方法，但这些方法通常依赖于移动部件或流体，而且可能需要花很长时间（通常是几分钟到几小时）来提高或降低材料的导热率。借助热晶体管，研究人员可以更快、更精确地主动调节热流。这使热晶体管有望成为管理电子器件热量的理想选择。

与电子晶体管使用电场来调节通道的电导类似，UCLA研究小组的热晶体管也使用电场来调节通道的热导。研究人员设计了笼状分子薄膜来调节通道的热导，该薄膜充当晶体管的通道；施加电场使薄膜中的分子键更强，从而增加其热导率。

UCLA化学、生物工程和材料科学教授、该文章的共同作者Paul Weiss说：“实际上我们的贡献只是一个分子厚度的薄膜层。”

借助这种单分子层，研究人员就能以超过1兆赫兹的频率实现传导率的最大变化，比其他热管理系统快了几个数量级。分子运动通常控制其他类型热开关中的热流。但与电子运动相比，分子运动相当缓慢，Weiss解释说。通过利用电场，研究人员能够将开关频率从毫赫兹提高到兆赫兹。

分子运动也无法在导通状态和断开状态之间实现那么大的热传导差。相比之下，UCLA的热晶体管实现了13倍的差异。Weiss说：“无论是幅度还是速度，这都是一个巨大的差异。”

该晶体管实现了创纪录的高性能，开关速度超过1兆赫兹，即每秒100万个周期。它们还提供1300%的热导可调性以及超过100万次开关周期的可靠性能。

通过以上这些改进，这种热晶体管对于冷却处理器可能至关重要。这种热晶体管对于半导体来说特别有前途，因为与其他主动散热方法相比，它们使用很小的功耗来控制热流。此外，许多热晶体管也可以像电子晶体管一样集成在同一芯片上。Hu说，特别是，热晶体管可以有效地管理新型半导体设计中的热量，例如在3D堆叠小芯片中，它们可以减少热点，从而为小芯片的设计提供更大的自由度。它们还可能有助于冷却由氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体制成的电力电子器件。Hu还表示，这个概念还提供了一种理解人体热量管理的新方法。

Paul Weiss表示：这项工作是出色合作的结果，我们能够利用对分子和界面的详细了解，在控制重要材料特性方面迈出重要一步，并具有对现实世界产生影响的潜力，我们已经能够将热开关效应的速度和规模比以前提高几个数量级。

该研究提出了在芯片制造和性能方面可持续可扩展的技术创新。虽然这一概念的验证很有希望，但UCLA的研究人员承认，该技术仍处于开发初期，他们的目标是进一步提高这种热晶体管器件的性能。

参考资料

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

审核编辑 黄宇