《半導體芯科技》雜志文章

電子晶體管是現代電子產品的核心。雖然電子晶體管可以精確控制電流，但在此過程中它們會產生熱量。現在，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員開發出了一種固態熱晶體管，這是同類器件中第一個可以使用電場來控制其中熱量流動的。他們的研究2023年11月發表在《科學》雜志上。

“工程師和科學家強烈希望像控制電子設備一樣控制傳熱，但這非常具有挑戰性。”該研究論文的主要作者、UCLA機械和航空航天工程教授Yongjie Hu說。

△UCLA開發的熱晶體管使用電場來控制熱流。來源：H-LAB/UCLA

一直以來，電子產品都是通過散熱器被動地將多余的熱量帶走來降溫的。人們也提出了一些更積極主動的熱管理方法，但這些方法通常依賴于移動部件或流體，而且可能需要花很長時間（通常是幾分鐘到幾小時）來提高或降低材料的導熱率。借助熱晶體管，研究人員可以更快、更精確地主動調節熱流。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來調節通道的電導類似，UCLA研究小組的熱晶體管也使用電場來調節通道的熱導。研究人員設計了籠狀分子薄膜來調節通道的熱導，該薄膜充當晶體管的通道；施加電場使薄膜中的分子鍵更強，從而增加其熱導率。

UCLA化學、生物工程和材料科學教授、該文章的共同作者Paul Weiss說：“實際上我們的貢獻只是一個分子厚度的薄膜層。”

借助這種單分子層，研究人員就能以超過1兆赫茲的頻率實現傳導率的最大變化，比其他熱管理系統快了幾個數量級。分子運動通常控制其他類型熱開關中的熱流。但與電子運動相比，分子運動相當緩慢，Weiss解釋說。通過利用電場，研究人員能夠將開關頻率從毫赫茲提高到兆赫茲。

分子運動也無法在導通狀態和斷開狀態之間實現那么大的熱傳導差。相比之下，UCLA的熱晶體管實現了13倍的差異。Weiss說：“無論是幅度還是速度，這都是一個巨大的差異。”

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1300%的熱導可調性以及超過100萬次開關周期的可靠性能。

通過以上這些改進，這種熱晶體管對于冷卻處理器可能至關重要。這種熱晶體管對于半導體來說特別有前途，因為與其他主動散熱方法相比，它們使用很小的功耗來控制熱流。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，特別是，熱晶體管可以有效地管理新型半導體設計中的熱量，例如在3D堆疊小芯片中，它們可以減少熱點，從而為小芯片的設計提供更大的自由度。它們還可能有助于冷卻由氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導體制成的電力電子器件。Hu還表示，這個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，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。

該研究提出了在芯片制造和性能方面可持續可擴展的技術創新。雖然這一概念的驗證很有希望，但UCLA的研究人員承認，該技術仍處于開發初期，他們的目標是進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