本文來自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”。
電子晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心。這些設(shè)備精確控制電流，但在此過程中它們會(huì)產(chǎn)生熱量?，F(xiàn)在，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員開發(fā)出了一種固態(tài)熱晶體管，這是同類中第一個(gè)可以使用電場(chǎng)來控制電子設(shè)備中熱量流動(dòng)的設(shè)備。他們的研究最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，展示了新技術(shù)的功能。
“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，”該研究的主要作者、加州大學(xué)洛杉磯分校機(jī)械和航空航天工程教授胡永杰說。
從歷史上看，電子產(chǎn)品一直是通過散熱器來冷卻的，散熱器可以被動(dòng)地帶走多余的熱量。還提出了更主動(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，并且可能需要很長(zhǎng)時(shí)間（通常是幾分鐘到幾小時(shí)）來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。這種速度使它們成為管理電子設(shè)備熱量的有前途的選擇。
與電子晶體管類似，加州大學(xué)洛杉磯分校小組的熱晶體管也使用電場(chǎng)來調(diào)制通道的電導(dǎo)，在這種情況下是熱導(dǎo)而不是電導(dǎo)。這是通過研究人員設(shè)計(jì)的一層籠狀分子薄膜來完成的，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。“我們的貢獻(xiàn)實(shí)際上只有一個(gè)分子薄，”加州大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)、生物工程和材料科學(xué)教授、該研究的合著者保羅韋斯說。
電子晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心。這些設(shè)備精確控制電流，但在此過程中它們會(huì)產(chǎn)生熱量?，F(xiàn)在，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員開發(fā)出了一種固態(tài)熱晶體管，這是同類中第一個(gè)可以使用電場(chǎng)來控制電子設(shè)備中熱量流動(dòng)的設(shè)備。他們的研究最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，展示了新技術(shù)的功能。
“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，”該研究的主要作者、加州大學(xué)洛杉磯分校機(jī)械和航空航天工程教授胡永杰說。
從歷史上看，電子產(chǎn)品一直是通過散熱器來冷卻的，散熱器可以被動(dòng)地帶走多余的熱量。還提出了更主動(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，并且可能需要很長(zhǎng)時(shí)間（通常是幾分鐘到幾小時(shí)）來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。這種速度使它們成為管理電子設(shè)備熱量的有前途的選擇。
“我認(rèn)為我們正生活在一種熱力復(fù)興之中。”
——MIGUEL MUÑOZ ROJO，馬德里材料科學(xué)研究所
與電子晶體管類似，加州大學(xué)洛杉磯分校小組的熱晶體管也使用電場(chǎng)來調(diào)制通道的電導(dǎo)，在這種情況下是熱導(dǎo)而不是電導(dǎo)。這是通過研究人員設(shè)計(jì)的一層籠狀分子薄膜來完成的，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。“我們的貢獻(xiàn)實(shí)際上只有一個(gè)分子薄，”加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)、生物工程和材料科學(xué)教授、該研究的合著者保羅韋斯說。
借助該單分子層，研究人員能夠在超過1兆赫茲的頻率下達(dá)到電導(dǎo)率的最大變化，比其他熱管理系統(tǒng)快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。分子運(yùn)動(dòng)通常控制其他類型熱開關(guān)中的熱流。但韋斯解釋說，與電子的運(yùn)動(dòng)相比，分子運(yùn)動(dòng)相當(dāng)慢。通過利用電場(chǎng)，研究人員能夠加速頻率從毫赫茲到兆赫茲的轉(zhuǎn)換。
分子運(yùn)動(dòng)也無法在開態(tài)和關(guān)態(tài)之間實(shí)現(xiàn)如此大的熱導(dǎo)差異。相比之下，加州大學(xué)洛杉磯分校的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了13倍的差異。“無論是幅度還是速度，這確實(shí)是一個(gè)巨大的差異，”韋斯說。
通過這些改進(jìn)，該設(shè)備對(duì)于冷卻處理器可能很重要。晶體管對(duì)于半導(dǎo)體來說特別有前途，因?yàn)榕c其他有源能量耗散途徑相比，它們使用少量的功率來控制熱流。胡說，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。
特別是，熱晶體管可以有效地管理新半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中的熱量，例如在3D堆疊小芯片中，它們可以通過減少熱點(diǎn)來為小芯片的設(shè)計(jì)提供更大的自由度。胡說，它們還可能有助于冷卻由氮化鎵和碳化硅等寬帶隙半導(dǎo)體制成的電力電子設(shè)備。
除了這些電子學(xué)應(yīng)用之外，加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員在熱晶體管方面的工作還可以為活細(xì)胞調(diào)節(jié)溫度的分子水平機(jī)制提供見解。胡認(rèn)為，在我們的細(xì)胞中，熱流和電勢(shì)之間可能存在類似的效應(yīng)。在另一個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目中，他正在研究離子通道的機(jī)制——充當(dāng)控制離子穿過細(xì)胞膜流動(dòng)的門的蛋白質(zhì)。當(dāng)談到人體的熱流時(shí)，“生理學(xué)中的宏觀圖景已經(jīng)建立，但分子水平的機(jī)制仍然很大程度上未知，”胡說。
“我認(rèn)為我們正生活在一種熱力復(fù)興之中，”馬德里材料科學(xué)研究所的高級(jí)研究員米格爾·穆尼奧斯·羅霍(Miguel Muñoz Rojo)說道。Muñoz Rojo對(duì)熱晶體管增加熱管理技術(shù)儲(chǔ)備的可能性感到興奮，并且對(duì)除了電子產(chǎn)品納米級(jí)冷卻之外將其用于各種大規(guī)模應(yīng)用（例如制冷）的可能性感興趣。他和他的同事安德烈·基塔諾夫斯基（斯洛文尼亞盧布爾雅那大學(xué)熱工程教授）正在共同開發(fā)這些熱管理技術(shù)。對(duì)于Muñoz Rojo來說，這種廣泛的潛在用途使熱晶體管成為熱管理技術(shù)的頂峰。
休斯頓萊斯大學(xué)機(jī)械工程系助理教授Geoff Wehmeyer表示，這項(xiàng)技術(shù)的展示是一項(xiàng)令人興奮的進(jìn)步，可能會(huì)激發(fā)更多的基礎(chǔ)研究。“熱工程師能否找到將這些分子熱開關(guān)集成到電子設(shè)備或電池的可切換熱管理系統(tǒng)中的方法，將會(huì)很有趣。”
加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員承認(rèn)，雖然這種概念驗(yàn)證很有希望，但該技術(shù)仍處于開發(fā)初期。胡說，展望未來，他們的目標(biāo)是進(jìn)一步提高設(shè)備的性能。
