Des chercheurs développent un transistor thermique à semi-conducteurs pour une meilleure gestion de la chaleur

Une équipe de chercheurs de l’UCLA a dévoilé un premier transistor thermique stable et entièrement solide qui utilise un champ électrique pour contrôler le mouvement thermique d’un dispositif semi-conducteur.

L’étude du groupe, publiée dans Science, détaille le fonctionnement de l’appareil et ses applications potentielles. Avec une vitesse et des performances optimales, le transistor pourrait ouvrir de nouvelles frontières en matière de gestion thermique des puces informatiques grâce à une conception au niveau atomique et à une ingénierie moléculaire. Cette avancée pourrait également permettre de mieux comprendre comment la chaleur est régulée dans le corps humain.

“Le contrôle précis de la façon dont la chaleur circule à travers les matériaux est un rêve de longue date mais insaisissable pour les physiciens et les ingénieurs”, a déclaré le co-auteur de l’étude, Yongjie Hu, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Samueli School of Engineering de l’UCLA.

“Ce nouveau principe de conception fait un grand pas en avant, car il gère le mouvement de la chaleur avec la commutation marche-arrêt d’un champ électrique, tout comme cela se fait avec les transistors électriques depuis des décennies.”

Les transistors électriques sont les éléments fondamentaux des technologies de l’information modernes. Ils ont été développés pour la première fois par les Bell Labs dans les années 1940 et disposent de trois terminaux : une porte, une source et un récepteur. Lorsqu’un champ électrique est appliqué à travers la grille, il régule la façon dont l’électricité (sous forme d’électrons) se déplace à travers la puce.

Ces dispositifs semi-conducteurs peuvent amplifier ou commuter des signaux électriques et de l’alimentation. Mais à mesure que leur taille continue de diminuer au fil des années, des milliards de transistors peuvent tenir sur une seule puce, ce qui entraîne davantage de chaleur générée par le mouvement des électrons, ce qui affecte les performances de la puce. Les dissipateurs thermiques conventionnels évacuent passivement la chaleur des points chauds, mais il reste difficile de trouver un contrôle plus dynamique pour réguler activement la chaleur.

Bien que des efforts aient été déployés pour régler la conductivité thermique, leurs performances ont souffert du recours à des pièces mobiles, à des mouvements ioniques ou à des composants de solutions liquides. Cela a entraîné des vitesses de commutation lentes pour le mouvement de la chaleur, de l’ordre de quelques minutes, voire beaucoup plus lentes, créant des problèmes de fiabilité des performances ainsi qu’une incompatibilité avec la fabrication de semi-conducteurs.

Le nouveau transistor thermique, doté d’un effet de champ (modulation de la conductivité thermique d’un matériau par l’application d’un champ électrique externe) et d’un état solide (pas de pièces mobiles), offre des performances élevées et une compatibilité avec les circuits intégrés à semi-conducteurs. processus de manufacture. La conception de l’équipe intègre l’effet de champ sur la dynamique de charge au niveau d’une interface atomique pour permettre des performances élevées en utilisant une puissance négligeable pour commuter et amplifier un flux thermique en continu.

L’équipe de l’UCLA a démontré des transistors thermiques à grille électrique qui ont atteint des performances record avec une vitesse de commutation supérieure à 1 mégahertz, soit 1 million de cycles par seconde. Ils offraient également une adaptabilité de 1 300 % en matière de conductance thermique et des performances fiables pour plus d’un million de cycles de commutation.

“Ce travail est le résultat d’une formidable collaboration dans laquelle nous sommes en mesure de tirer parti de notre compréhension détaillée des molécules et des interfaces pour faire un pas en avant majeur dans le contrôle des propriétés importantes des matériaux avec un potentiel d’impact réel”, a déclaré le co- auteur Paul Weiss, professeur de chimie et de biochimie. “Nous avons pu améliorer à la fois la vitesse et l’ampleur de l’effet de commutation thermique de plusieurs ordres de grandeur par rapport à ce qui était auparavant possible.”

Dans la conception de validation de principe de l’équipe, une interface moléculaire auto-assemblée est fabriquée et agit comme un conduit pour le mouvement de la chaleur. L’activation et la désactivation d’un champ électrique via une porte à troisième borne contrôlent la résistance thermique à travers les interfaces atomiques et permettent ainsi à la chaleur de se déplacer à travers le matériau avec précision. Les chercheurs ont validé les performances du transistor avec des expériences de spectroscopie et ont effectué des calculs théoriques de premiers principes prenant en compte les effets de champ sur les caractéristiques des atomes et des molécules.

L’étude présente une innovation technologique évolutive pour l’énergie durable dans la fabrication et les performances des puces. Hu a suggéré que le concept offre également une nouvelle façon de comprendre la gestion de la chaleur dans le corps humain.

“À un niveau très fondamental, la plateforme pourrait fournir des informations sur les mécanismes moléculaires des cellules vivantes”, a ajouté Hu.