Prvé zariadenie svojho druhu využíva elektrické pole na chladenie elektroniky

Polovodičové tranzistory sú základom modernej elektroniky. Tieto zariadenia presne riadia tok elektrickej energie, ibaže pri tom vytvárajú teplo. Výskumníci z Kalifornskej univerzity v Los Angeles (UCLA) teraz vyvinuli polovodičový tepelný tranzistor – prvé zariadenie svojho druhu, ktoré dokáže využívať elektrické pole na riadenie toku tepla v elektronike. Ich štúdia bola nedávno uverejnená v časopise Science.

V minulosti sa elektronika chladila pomocou chladičov, ktoré pasívne odvádzali prebytočné teplo. Boli navrhnuté aj aktívnejšie prístupy k tepelnému manažmentu, ktoré sa však často spoliehajú na pohyblivé časti alebo kvapaliny a môže trvať dlho, zvyčajne minúty až hodiny, kým sa zvýši alebo zníži tepelná vodivosť materiálu. Pomocou tepelných tranzistorov môžu výskumníci aktívne regulovať tok tepla rýchlejšie a presnejšie. Táto rýchlosť z nich robí sľubnú možnosť riadenia tepla v elektronických zariadeniach.

Podobne ako elektronický tranzistor aj tepelný tranzistor tímu UCLA využíva elektrické polia na moduláciu vodivosti kanála, v tomto prípade tepelnej vodivosti namiesto elektrickej. Využíva sa na to tenká vrstva molekúl podobných klietkam, ktorú výskumníci vytvorili a ktorá funguje ako kanál tranzistora. Pôsobením elektrického poľa sa molekulárne väzby vo vrstve posilnia, čím sa zvýši jej tepelná vodivosť. Vďaka tejto jednomolekulovej vrstve boli výskumníci schopní dosiahnuť maximálnu zmenu vodivosti pri frekvencii viac ako 1 megahertz, čo je o niekoľko rádov rýchlejšie ako pri iných systémoch riadenia tepla.

V iných typoch tepelných spínačov riadi tok tepla zvyčajne pohyb molekúl. Molekulárny pohyb je však v porovnaní s pohybom elektrónov pomerne pomalý. Využitím elektrického poľa vedci dokážu urýchliť prepínanie z milihertzových na megahertzové frekvencie. Molekulárny pohyb nemôže dosiahnuť ani taký veľký rozdiel v tepelnej vodivosti medzi zapnutým a vypnutým stavom. Na porovnanie, zariadenie UCLA dosahuje 13-násobný rozdiel. Vďaka týmto zlepšeniam by zariadenie mohlo byť dôležité pre chladenie procesorov.

Tranzistory sú pre polovodiče obzvlášť sľubné, pretože na riadenie toku tepla využívajú malé množstvo energie v porovnaní s inými spôsobmi aktívneho rozptylu energie. Mnohé tepelné tranzistory by sa navyše dali integrovať do jedného čipu rovnakým spôsobom ako elektronické tranzistory. Tepelné tranzistory by mohli účinne riadiť teplo najmä v nových polovodičových konštrukciách, napríklad v 3D-skladaných čipoch, kde by redukovali horúce miesta, čím by umožnili väčšiu voľnosť pri návrhu čipov.

Zdroj: spectrum.ieee.org.