加州大学洛杉矶分校开发出全固态热晶体管

加州大学洛杉矶分校的一组研究人员推出了首个稳定的全固态热晶体管，它使用电场来控制半导体器件的热运动。

该小组的研究成果将发表在 11 月 3 日的《科学》杂志上，详细介绍了该设备的工作原理及其潜在应用。该晶体管具有很高的速度和性能，可以通过原子级设计和分子工程开辟计算机芯片热管理的新领域。这一进展还可以进一步了解人体如何调节热量。

该研究的合著者、加州大学洛杉矶分校萨穆埃利工程学院机械和航空航天工程教授胡永杰说：「精确控制热量如何流经材料一直是物理学家和工程师长期以来的一个却难以实现的梦想，这种新的设计原理朝这个方向迈出了一大步，因为它通过电场的开关来管理热运动，就像几十年来电子晶体管的做法一样。」

电子晶体管是现代信息技术的基础构建模块。它们最初由贝尔实验室在 20 世纪 40 年代开发，具有三个电极——栅极、源极和漏极，当通过栅极施加电场时，它会调节电流（以电子形式）如何通过芯片，这些半导体器件可以放大或切换电信号和功率。但随着多年来晶体管尺寸不断缩小，一块芯片上可以安装数十亿个晶体管，从而导致电子运动产生更多热量，从而影响芯片性能。传统的散热器被动地将热量从热点处吸走，但寻找更动态的控制来主动调节热量仍然是一个挑战。

尽管人们在调节热导率方面做出了努力，但由于对移动部件、离子运动或液体溶液成分的依赖，它们的性能受到了影响。这导致热运动的切换速度缓慢，大约为几分钟或更慢，从而产生性能可靠性问题以及与半导体制造的不兼容性。

新型热晶体管具有场效应（通过施加外部电场来调制材料的热导率）和全固态（无移动部件），具有高性能并与半导体集成电路兼容制造工艺。该团队的设计结合了原子界面上电荷动力学的场效应，从而可以使用可忽略不计的功率来连续切换和放大热通量，从而实现高性能。

加州大学洛杉矶分校团队展示了电门控热晶体管，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 1,300% 的热导可调性以及超过 100 万次开关周期的可靠性能。

「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，」共同作者，化学和生物化学教授保罗·韦斯 (Paul Weiss) 表示：「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。」

在该团队的概念验证设计中，制造了一个自组装分子界面，并充当热运动的管道。通过第三端子门打开和关闭电场可以控制原子界面上的热阻，从而允许热量精确地穿过材料。

研究人员通过光谱实验验证了晶体管的性能，并进行了第一性原理理论计算，解释了场对原子和分子特性的影响。

该研究提出了芯片制造和性能方面可持续能源的可扩展技术创新。胡表示，这个概念还提供了一种理解人体热量管理的新方法。

「在非常基础的层面上，该平台可以为活细胞的分子水平机制提供见解，」胡补充道。

该论文的其他作者均来自加州大学洛杉矶分校，包括 Man Li、Huan Wu、Erin Avery、Zihaoqin、Dominic Goronzy、Huu Duy Nguyen 和 Tianhan Liu。胡和韦斯还隶属于加州纳米系统研究所以及加州大学洛杉矶分校萨穆埃利分校的生物工程和材料科学与工程系。

该研究得到了美国国立卫生研究院、阿尔弗雷德·斯隆基金会和美国国家科学基金会的资助。技术支持由加州大学洛杉矶分校纳米实验室和加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所提供，计算资源由加州大学洛杉矶分校数字研究与教育研究所和高级网络基础设施协调生态系统提供。