تطوير ترانزستور حراري ذو حالة صلبة لتحسين إدارة الحرارة.. الأول من نوعه المستقر والصلب

كشف فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس النقاب عن ترانزستور حراري هو الأول من نوعه المستقر والصلب تمامًا والذي يستخدم مجالًا كهربائيًا للتحكم في الحركة الحرارية لجهاز أشباه الموصلات.

وتوضح دراسة المجموعة ، المنشورة في مجلة Science ، تفاصيل كيفية عمل الجهاز وتطبيقاته المحتملة.

ومع السرعة القصوى والأداء، يمكن للترانزستور أن يفتح آفاقًا جديدة في إدارة الحرارة لرقائق الكمبيوتر من خلال تصميم المستوى الذري والهندسة الجزيئية، يمكن أن يؤدي التقدم أيضًا إلى تعزيز فهم كيفية تنظيم الحرارة في جسم الإنسان.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة يونجي هو، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية في كلية سامويلي للهندسة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: “إن التحكم الدقيق في كيفية تدفق الحرارة عبر المواد كان حلماً قديماً ولكنه بعيد المنال بالنسبة للفيزيائيين والمهندسين”.

التبديل بين التشغيل والإيقاف للمجال الكهربائي

وأضاف ” مبدأ التصميم الجديد هذا يأخذ قفزة كبيرة نحو ذلك، لأنه يدير حركة الحرارة من خلال التبديل بين التشغيل والإيقاف للمجال الكهربائي، تمامًا كما حدث مع الترانزستورات الكهربائية لعقود من الزمن.”

الترانزستورات الكهربائية هي اللبنات الأساسية لتكنولوجيا المعلومات الحديثة، تم تطويرها لأول مرة من قبل شركة Bell Labs في الأربعينيات من القرن العشرين ولها ثلاث محطات – بوابة ومصدر ومغسلة، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي عبر البوابة، فإنه ينظم كيفية تحرك الكهرباء (على شكل إلكترونات) عبر الشريحة.

يمكن لهذه الأجهزة شبه الموصلة تضخيم أو تبديل الإشارات الكهربائية والطاقة.

ولكن مع استمرار تقلص حجمها على مر السنين، يمكن وضع مليارات الترانزستورات على شريحة واحدة، مما يؤدي إلى توليد المزيد من الحرارة من حركة الإلكترونات، مما يؤثر على أداء الشريحة.

تعمل المبددات الحرارية التقليدية على سحب الحرارة بشكل سلبي بعيدًا عن النقاط الساخنة، ولكن لا يزال من الصعب العثور على تحكم أكثر ديناميكية لتنظيم الحرارة بشكل فعال.

على الرغم من الجهود المبذولة لضبط التوصيل الحراري، إلا أن أدائها تأثر بسبب الاعتماد على الأجزاء المتحركة، أو الحركات الأيونية، أو مكونات المحلول السائل.

وقد أدى ذلك إلى بطء سرعات التبديل لحركة الحرارة في حدود دقائق أو أبطأ بكثير، مما أدى إلى حدوث مشكلات في موثوقية الأداء، بالإضافة إلى عدم التوافق مع تصنيع أشباه الموصلات.

أداء عالي وتوافق مع الدوائر المتكاملة

يوفر الترانزستور الحراري الجديد، الذي يتميز بتأثير المجال (تعديل التوصيل الحراري للمادة عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي ) والحالة الصلبة الكاملة (بدون أجزاء متحركة)، أداءً عاليًا وتوافقًا مع الدوائر المتكاملة في أشباه الموصلات عمليات التصنيع.

يتضمن تصميم الفريق التأثير الميداني على ديناميكيات الشحن في السطح البيني الذري للسماح بأداء عالٍ باستخدام طاقة ضئيلة لتبديل وتضخيم التدفق الحراري بشكل مستمر.

أظهر فريق جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ترانزستورات حرارية ذات بوابات كهربائية حققت أداءً قياسيًا مع سرعة تحويل تزيد عن 1 ميجا هرتز، أو مليون دورة في الثانية.

كما أنها توفر إمكانية ضبط بنسبة 1300% في التوصيل الحراري وأداء موثوق لأكثر من مليون دورة تحويل.

تحسين كل من سرعة وحجم تأثير التبديل الحراري

وقال المؤلف المشارك في الدراسة بول فايس، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية.: “هذا العمل هو نتيجة تعاون رائع تمكنا من خلاله من الاستفادة من فهمنا التفصيلي للجزيئات والواجهات لاتخاذ خطوة كبيرة إلى الأمام في التحكم في خصائص المواد المهمة مع إمكانية التأثير في العالم الحقيقي”، “لقد تمكنا من تحسين كل من سرعة وحجم تأثير التبديل الحراري بأضعاف مضاعفة عما كان ممكنًا في السابق.”

في تصميم الفريق لإثبات المفهوم، تم تصنيع واجهة جزيئية ذاتية التجميع وتعمل كقناة لحركة الحرارة. يؤدي تشغيل وإيقاف المجال الكهربائي من خلال بوابة الطرف الثالث إلى التحكم في المقاومة الحرارية عبر الواجهات الذرية، وبالتالي السماح للحرارة بالتحرك عبر المادة بدقة.

وقد تحقق الباحثون من صحة أداء الترانزستور من خلال تجارب التحليل الطيفي وأجروا حسابات نظرية المبادئ الأولى التي أخذت في الاعتبار التأثيرات الميدانية على خصائص الذرات والجزيئات.

تقدم الدراسة ابتكارًا تكنولوجيًا قابلاً للتطوير للطاقة المستدامة في تصنيع الرقائق والأداء، واقترح هو أن المفهوم يقدم أيضًا طريقة جديدة لفهم إدارة الحرارة في جسم الإنسان.

وأضاف هو: “على المستوى الأساسي للغاية، يمكن للمنصة أن توفر رؤى لآليات المستوى الجزيئي للخلايا الحية”.