1947年，贝尔实验室的科学家威廉•肖克利、约翰•巴丁和沃尔特•布拉丁发明了三端固态器件——晶体管，通过第三个电极来调节半导体的电导率，可作为开关和放大器使用。这一发现被认为具有革命性，为电子学的发展奠定了基础，也极大的改变了我们的生活，三人因此于1956年获得诺贝尔物理学奖。
11月6日消息，美国加州大学洛杉矶分校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。据11月3日发表在《科学》杂志上的研究，该晶体管具有迄今最高的速度和性能，通过原子级设计和分子工程，可开辟计算机芯片热管理的新领域。这一进展还有助于了解人体如何调节热量。
新型热晶体管问世
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。
“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。”
晶体管可调节热导率
据了解，这种基于自组装分子结的器件，热导率开关比高达1300%，开关速度超过1 MHz，可开关超过百万次。
控制热传递在生产和生活的诸多领域都是一项挑战，从手机、笔记本等电子设备到能源系统、工业加工、航空航天等领域，都需要解决热管理问题。尽管物理散热已广泛应用于日常生活及工业生产，比如风扇、散热片，以及利用相变过程（如蒸发和凝结）来吸收和释放热量，早期的研究中，也有采用二极管实现热整流 [3]。然而，这些方法的开关比通常较小，而且固有的响应速度通常较慢。可以说，我们对于热的控制能力远远落后于对电子的控制能力。
UCLA的研究者借用电子晶体管的符号来表示热晶体管开关的概念，器件采用笼状碳硼烷硫醇单分子层（SAM）作为沟道材料，底层蒸镀金（Au），顶部则转移上单层石墨烯。沟道两端分别与冷热源（TC和TH）相连。通过第三端可作为栅极，使用电场控制沟道的热导率。
神奇的是，器件的单位面积热导率表现出对栅压的高度依赖性。当栅压从2.5 V变化到-2.5 V时，热导率也从10升高到134 MW/m2 K，前后开关比超过1300%，远高于此前报道的各种热开关。此外，器件具有高度可逆性，长达100万个循环周期后，仍具有高开关比。
通过密度泛函理论（DFT）计算，Au和SAM中的S原子形成较弱的共价键，对栅压改变非常敏感。当施加负栅压时，电子更多地被吸引在硫原子附近；相反地当施加正栅压时，电子被从S原子周围拉远。S和Au原子之间电子云密度的减少，抑制了它们的共价相互作用，并减弱了键合强度。
第一性原理计算进一步显示，Au-S键形成沟道内的热阻，栅压实现热导率调控与此有关。加上顶层石墨烯形成Au-SAM-graphene系统后，键能对电压呈单调关系，与实验测得的热导率对栅压变化曲线的趋势相似。原位表面增强拉曼技术对Au-S和石墨烯-SAM之间的拉伸振动测量也得到相同的结论。这些证据表明，热晶体管开关的机理是通过电场诱导电荷分布，调节化学键强度，从而控制热导率。
可扩展至活细胞温度调节机制应用
电子晶体管是现代电子产品的中枢，精准地控制电流，在运作过程中产生热量，加州大学洛杉矶分校的研究人员开发出新型固态热晶体管，通过电场控制电子设备中产生的热量，均匀散发热量。当带电时，该分子层会变得导热。热晶体管可以将在核心的热量转移到芯片的较冷部分。与普通冷却方法相比，实验晶体管的冷却效果好 13 倍。
这些热晶体管正处于实验阶段，它们提供了一种极具吸引力的方式来消除处理器的热量，可能会引起 AMD 和英特尔等公司的兴趣。
现代处理器，尤其是高端处理器，在散热方面存在严重问题。处理器变得越来越小，功耗并没有下降那么多，更多的热量被压缩到更小的区域。这些热量通常集中在处理器的特定部分，即使 CPU 的平均温度良好，温度也可能会阻碍其正常运行。
热密度问题的出现可以追溯到登纳德尺度。登纳德缩放比例定律认为，较小的晶体管效率更高，这意味着热密度永远不会上升。然而，登纳德缩放比例定律在上世纪中期停止了，大约在行业达到65纳米工艺节点的时候。从那时起，功率/热量与面积的比率逐渐增加。
此外，处理器设计人员增强其频率，以提升算法获取更多性能，热量带来的问题越来越多，如果热晶体管走出实验室并进入消费设备，即使不能彻底解决问题，至少也可以避免热密度问题。除了电子学应用之外，加州大学洛杉矶分校研究人员在热晶体管方面的工作还可以为活细胞调节温度的分子水平机制提供理论支持。
来源：XMOL学术，半导体产业纵横，芯团网