电子晶体管是现代信息技术的基础，随着多年来晶体管尺寸的不断缩小，一块芯片上已经可以安放数十亿个晶体管，但这也导致电子运动产生了更多热量，从而影响了芯片性能。传统的散热器只能够被动地将热量从发热点处吸走，而寻找全新的更动态的控制方法来主动调节热量是目前的一个主要挑战。
近日，加州大学洛杉矶分校的一个研究团队推出了首个稳定的全固态热晶体管，该晶体管可以使用电场来控制半导体器件的热运动，具有迄今为止最高的速度和性能，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。相关研究成果以“Electrically gated molecular thermal switch”为题发表在《科学》杂志上。
据了解，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)的优点，具有极高的性能，且能与半导体集成电路制造工艺兼容。
该团队的设计结合了原子界面上电荷动力学的场效应，连续切换和放大热通量所使用的功率几乎可忽略不计。根据演示，该晶体管实现了创纪录的高性能，开关速度超过了1兆赫兹(即每秒100万个周期)，具有1300%的热导可调性以及超过100万次开关周期的可靠性能，其无论是热开关效应的速度还是规模都要比过往高出几个数量级。
固态热晶体管通过电场控制热运动。图片来源：胡永杰实验室/加州大学洛杉矶分校
据介绍，在该团队的概念验证设计中，制造了一个自组装分子界面，作为热运动的通道。通过开关电场，可以控制原子界面上的热阻，从而使热量在材料中精确地流动。研究团队业已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，解释了电场对原子和分子特性的影响。
据悉，该项研究除了用于提升芯片的性能和热管理水平，还为理解人体热量管理提供了一种新方法，可帮助进一步加深科学家对人体热量调节方式的理解。
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