Создано новое микроэлектронное устройство — тепловой транзистор

Так выглядит первый в мире тепловой транзистор (изображение с сайта physicsweb.org)
Так выглядит первый в мире тепловой транзистор (изображение с сайта physicsweb.org)

Финские и итальянские физики научились регулировать мощность микроскопического электронного холодильника, в котором постоянный ток переносит также и тепло. Это большой шаг вперед в одноэлектронике.

Вся современная вычислительная техника обязана своим существованием тому простому факту, что отдельные микроэлектронные компоненты могут динамически управлять друг другом. Ключевым элементом в микросхемах является транзистор — микроэлектронный компонент с тремя внешними «ножками», в котором протекание тока от первой ножки ко второй легко регулируется, вплоть до полного выключения, с помощью напряжения, подаваемого на третью ножку.

Электронные свойства микроэлектронных компонентов зависят также и от температуры. Это открывает новую возможность в микроэлектронике — управлять поведением отдельных микроэлектронных компонентов путем изменения их локальной температуры. Первым шагом на этом пути является создание устройств, нагревающих или охлаждающих заданный микроэлектронный компонент. Этот нагрев и охлаждение желательно тоже осуществить электронным способом, сделав таким образом циркуляцию тепла и циркуляцию электрического тока взаимно контролируемыми.

Экспериментальная работа в этом направлении началась в конце прошлого века, когда были созданы микроскопические (размером в доли микрона!) электронные холодильники и термометры. Эти устройства работают за счет того, что в определенных условиях поток электронов переносит не только заряд, но и тепло. Особенно интересные эффекты получаются при очень низких температурах, ниже 1 кельвина. При таких температурах наряду с металлами, полупроводниками и изоляторами можно использовать и сверхпроводники. Кроме того, в этом случае достижим новый, дискретный режим работы микроэлектронных устройств — одноэлектроника. Это направление активно развивается и сейчас; см. например новость Физики придумали одноэлектронный холодильник.

На днях в журнале Physical Review Letters появилась статья исследователей из Финляндии и Италии, в которой сделан еще один шаг на этом пути. Авторы этой работы приделали «регулятор мощности» к электронному холодильнику и получили таким образом совершенно новое термоэлектронное устройство — тепловой транзистор.

Как и в обычном транзисторе, в нём между двумя «ножками» тоже течет ток, но в этом случае он еще сопровождается и направленной передачей тепла. Авторы новой работы научились контролировать этот поток тепла, подсоединив к холодильнику еще один контакт и подавая на него напряжение. Тепловой поток при этом изменялся примерно в три раза. Полученный результат можно считать большим шагом вперед: ведь раньше поток тепла в такого типа устройствах вообще не умели изменять.

Вероятно, следующим шагом будет создание более совершенных тепловых транзисторов, способных не только уменьшать, но и при необходимости включать и выключать тепловой поток. Кроме того, в описанной работе использовался холодильник на постоянном токе, но, возможно, аналогичную схему можно будет применить и для одноэлектронного холодильника, работающего на переменном токе (а фактически, на одном-двух электронах, прыгающих с металла на сверхпроводник и обратно; подробности см. в новости Физики придумали одноэлектронный холодильник). После этого можно уже думать и о создании сложных микросхем, в которых будут взаимосвязанным образом циркулировать как электрический заряд, так и тепло.

Источник: O.-P. Saira et al. Heat Transistor: Demonstration of Gate-Controlled Electronic Refrigeration // Physical Review Letters, 99, 027203 (9 июля 2007 года).
Статья доступна также в архиве е-принтов: cond-mat/0702361.

См. также:
First «heat transistor» unveiled, Physicsweb.org, 13.07.2007.

Игорь Иванов


3
Показать комментарии (3)
Свернуть комментарии (3)

  • PavelS  | 16.07.2007 | 14:56 Ответить
    Не ясна практическая цель. Всё выглядит как желание сваять incredible mashine, в которой просто намешено побольше эффектов для солидного внешнего вида. Ну а касательно холодильников, то элементы Пельтье изобретены годы назад, и успешно применяются для охлаждения электроники.

    К тому же не указано время, характерное для процессов охлаждения. Не быстрее ли делать гидравлический компьютер? :)
    Ответить
    • spark > PavelS | 18.07.2007 | 00:15 Ответить
      Я наверно не очень четко подчеркнул, зачем нужны все эти хитрости, поэтому постараюсь ответить тут по пунктам.

      1. Конечно, существуют элементы Пельтье, которые придумали 170 лет назад. Сейчас они позволяют довольно эффективно (и дешево) охлаждать, например, компоненты микросхем до температура порядка 100 К. Пишут, что недавно уже спустились и до 10 К. Однако та область физики твердого тела, которая тут исследуется, оперирует с температурой порядка 1 К и ниже.

      2. При субкельвиновых температурах теплоемкость и теплопередача крист. решетки становятся пренебрежимо малыми по сравнению с электронными теплоемкостью и теплопередачей. Поэтому требуется охлаждать далее уже непосредственно свободные электроны в металле, а не кристаллическую решетку, и элементы Пельтье уже не годятся.

      3. Зачем это нужно. Суть вовсе не в том, чтоб достичь как можно более низких температур на чипе и всё. Суть в том, чтоб исследовать термоэлектронные процессы в режиме кулоновской блокады (которая наступает при субкельвиновых температурах), т.е. когда ток через различные слоистые структуры идет не непрерывно, а туннелированием электронов по одиночке. Подчеркну еще раз, что это просто интересно с фундаментальной точки зрения. Для исследования этой области хочется создать себе удобную "микролабораторию на чипе", в которой всё будет под рукой: мезоскопические рефрижираторы, датчики, термометры -- и всё это будет удобно управляться (той же электроникой). Вот сейчас и сделали одно из устройств для такой "микролаборатории".

      4. Есть конечно и практическая ценность этой деятельности. Ну например, это точные микротермометры милликельвиновых температур и болометрические детекторы теплового и даже радиоволнового излучения.

      5. Время охлаждения в этих работах никого особо не интересовало, по крайней мере на нем специально не заостряли внимание. Подчеркну еще раз, что никто тут не ставит целью быстро охладить микросхему для увеличения быстро действия или еще чего (поэтому зачем тут гидравлический компьютер?). Цель здесь -- просто поисследовать те явления, которые имеют место в таком режиме, и научиться этими явлениями управлять.

      Вообще я в прошлой заметке приводил ссылку на недавний обзор в этой области мезоскопики, кстати, от той же самой исследовательской группы: http://arxiv.org/abs/cond-mat/0508093 Почитайте, там всё продробно рассказывается.
      Ответить
      • PavelS > spark | 18.07.2007 | 01:57 Ответить
        А! Теперь понятно. А то у меня создалось впечатление, что подогрев и охлаждение собираются как-то использовать для логических переключений - я уж нафантазировал себе тепловую память, где тёплые и холодные точки хранят значения - ведь каких только устройств памяти не было, так решил что придумали ещё одно.
        Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»