本文來自微信公眾號“半導體行業(yè)觀察”。
電子晶體管是現(xiàn)代電子產品的核心。這些設備精確控制電流，但在此過程中它們會產生熱量?，F(xiàn)在，加州大學洛杉磯分校的研究人員開發(fā)出了一種固態(tài)熱晶體管，這是同類中第一個可以使用電場來控制電子設備中熱量流動的設備。他們的研究最近發(fā)表在《科學》雜志上，展示了新技術的功能。
“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(zhàn)性，”該研究的主要作者、加州大學洛杉磯分校機械和航空航天工程教授胡永杰說。
從歷史上看，電子產品一直是通過散熱器來冷卻的，散熱器可以被動地帶走多余的熱量。還提出了更主動的熱管理方法，但這些方法通常依賴于移動部件或流體，并且可能需要很長時間（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(jié)熱流。這種速度使它們成為管理電子設備熱量的有前途的選擇。
與電子晶體管類似，加州大學洛杉磯分校小組的熱晶體管也使用電場來調制通道的電導，在這種情況下是熱導而不是電導。這是通過研究人員設計的一層籠狀分子薄膜來完成的，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。“我們的貢獻實際上只有一個分子薄，”加州大學洛杉磯分?；瘜W、生物工程和材料科學教授、該研究的合著者保羅韋斯說。
電子晶體管是現(xiàn)代電子產品的核心。這些設備精確控制電流，但在此過程中它們會產生熱量。現(xiàn)在，加州大學洛杉磯分校的研究人員開發(fā)出了一種固態(tài)熱晶體管，這是同類中第一個可以使用電場來控制電子設備中熱量流動的設備。他們的研究最近發(fā)表在《科學》雜志上，展示了新技術的功能。
“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(zhàn)性，”該研究的主要作者、加州大學洛杉磯分校機械和航空航天工程教授胡永杰說。
從歷史上看，電子產品一直是通過散熱器來冷卻的，散熱器可以被動地帶走多余的熱量。還提出了更主動的熱管理方法，但這些方法通常依賴于移動部件或流體，并且可能需要很長時間（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(jié)熱流。這種速度使它們成為管理電子設備熱量的有前途的選擇。
“我認為我們正生活在一種熱力復興之中。”
——MIGUEL MUÑOZ ROJO，馬德里材料科學研究所
與電子晶體管類似，加州大學洛杉磯分校小組的熱晶體管也使用電場來調制通道的電導，在這種情況下是熱導而不是電導。這是通過研究人員設計的一層籠狀分子薄膜來完成的，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。“我們的貢獻實際上只有一個分子薄，”加州大學洛杉磯分?；瘜W、生物工程和材料科學教授、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到電導率的最大變化，比其他熱管理系統(tǒng)快幾個數(shù)量級。分子運動通?？刂破渌愋蜔衢_關中的熱流。但韋斯解釋說，與電子的運動相比，分子運動相當慢。通過利用電場，研究人員能夠加速頻率從毫赫茲到兆赫茲的轉換。
分子運動也無法在開態(tài)和關態(tài)之間實現(xiàn)如此大的熱導差異。相比之下，加州大學洛杉磯分校的設備實現(xiàn)了13倍的差異。“無論是幅度還是速度，這確實是一個巨大的差異，”韋斯說。
通過這些改進，該設備對于冷卻處理器可能很重要。晶體管對于半導體來說特別有前途，因為與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體設計中的熱量，例如在3D堆疊小芯片中，它們可以通過減少熱點來為小芯片的設計提供更大的自由度。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體制成的電力電子設備。
除了這些電子學應用之外，加州大學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胞調節(jié)溫度的分子水平機制提供見解。胡認為，在我們的細胞中，熱流和電勢之間可能存在類似的效應。在另一個正在進行的項目中，他正在研究離子通道的機制——充當控制離子穿過細胞膜流動的門的蛋白質。當談到人體的熱流時，“生理學中的宏觀圖景已經建立，但分子水平的機制仍然很大程度上未知，”胡說。
“我認為我們正生活在一種熱力復興之中，”馬德里材料科學研究所的高級研究員米格爾·穆尼奧斯·羅霍(Miguel Muñoz Rojo)說道。Muñoz Rojo對熱晶體管增加熱管理技術儲備的可能性感到興奮，并且對除了電子產品納米級冷卻之外將其用于各種大規(guī)模應用（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熱工程教授）正在共同開發(fā)這些熱管理技術。對于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的頂峰。
休斯頓萊斯大學機械工程系助理教授Geoff Wehmeyer表示，這項技術的展示是一項令人興奮的進步，可能會激發(fā)更多的基礎研究。“熱工程師能否找到將這些分子熱開關集成到電子設備或電池的可切換熱管理系統(tǒng)中的方法，將會很有趣。”
加州大學洛杉磯分校的研究人員承認，雖然這種概念驗證很有希望，但該技術仍處于開發(fā)初期。胡說，展望未來，他們的目標是進一步提高設備的性能。
