400-8818-662
二维码
手机站
您的当前位置:首页»新闻资讯»科普活动

科普活动

使用激光技术解密微电子为何发热发烫

2016-10-21 返回列表

  上世纪70年代,一个叫做戈登·摩尔的人凭着自个关于半导体行业的感受提出了猜测,每18个月就能将芯片的功能进步一倍。这个猜测在过去的40年中一路证明了自个的正确,而芯片中晶体管的密度也跟着翻倍,翻倍,再翻倍。

  关于了解芯片的人来说,高功能通常伴生这高发热,跟着咱们对电子产品的依靠程度日益添加,手机、平板、笔记本电脑等的发热疑问,不仅对运用体验形成负面影响,一起还阻止着生产商规划出更加美观、简便的新产品。

  要解决电子产品,尤其是微电子器件的发热疑问,首先要了解这些热量发作的根本因素。而这个答案也许就藏在廖浡霖博士最新宣布的论文中。这位前四川省高考状元师从陈刚教授,本年从麻省理工学院获得了博士学位。

  他地点的研讨团队准确丈量了电子与声子的相互效果,所得效果不仅解说了微电子设备的发热因素,一起还能用以进一步进步热电资料的功能。

电子-声子相互效果

  跟着半导体芯片的开展,不断添加的晶体管被塞入了越来越小的空间中。麻省理工学院的工程师最新发现,手机、笔记本电脑等别的电子设备会发烫,首要因素在于电子和带着热能的声子相互效果。

  这么的相互效果曾一度被科学家们疏忽,可是最新的研讨成果显现,在微电子设备中,这种相互效果对散热起到了重大的影响,有关的研讨成果宣布在了10月12日的《Nature Communication》上。

  在试验中,研讨小组运用准确守时的激光脉冲在一片超薄硅薄膜中丈量了电子和声子的相互效果。丈量成果显现:跟着薄膜中电子浓度添加,会有更多声子因被电子散射而致使散热艰难。

  麻省理工学院(MIT)结业的廖浡霖博士是这篇论文的榜首作者,他说道:“电脑运转时会发作热量,你肯定期望这些热量迅速散掉(被声子带走)。可是,假如声子被电子散射,它们的散热效果就会变差。跟着芯片越造越小,这个疑问有必要得到解决。”

  但凡事既有一弊,必有一利,相同的景象对热电发电却会带来优点。热电资料能够直接将热能转化为电能,被散射掉的声子越多,意味着越少的热量丢失,因此会大大进步热电设备的功率和功能。

  热电资料具有十分广阔的应用规模,其间包含了热量勘探仪和NASA最新提出用于太空勘探设备的核电池。

电子-声子相互效果

  声子被电子散射的景象并不是啥新发现,可是长期以来一向被科学家们疏忽,跟着半导体技能的不断开展,电子的浓度变得越来越高,这种景象变得不可忽视。

  科学家们有必要思考怎么更操控电子-声子相互效果,这么才干一方面添加热电设备的功率,而另一方面防止微电子设备发烫。

  这篇论文别的作者都来自MIT,其间包含了廖浡霖的博导,MIT机械工程系主任陈刚教授。

  声子和电子的碰碰车游戏

  无论是在晶体管(半导体资料,如硅)仍是导线(导体资料,如铜)中,电子都是电流运动的首要前言。电阻之所以会存在,首要因素是电子活动时会遇到路障——带着热能的声子会与电子磕碰,将其弹出电流的途径外。

  很久以来,科学家就在研讨电子-声子相互效果所带来的各种影响,但侧重点首要集中于电子,而没有太重视这种相互效果是怎么影响声子的。

  “科学家很少研讨这个相互效果对声子的影响,由于他们以为这个效应不重要,”廖浡霖说道,“可是牛顿第三定律通知咱们,每个力都有一个反效果力。仅仅咱们不知道在啥情况下反效果力才会变得重要。”

电子-声子相互效果

  散射,散热难以分身

  依据廖浡霖和搭档从前的计算,当电子浓度超越每立方公分1019个时,在硅(半导体资料最常用到的物质)中电子和声子的相互效果会对声子发作无穷的散射效果。当电子浓度抵达每立方公分1021个时,资料的散热才能将因声子的散射而降低50%。

  “这是适当显着的效应,但很多人却对此存疑,”廖浡霖说道。

  这首要是由于在之前用到高浓度电子资料的试验中,科学家们都假设散热才能的降低不是由于电子-声子相互效果,而是由于资料的缺点形成的。

  这些缺点的存在是由于大家对资料进行了掺杂(doping),以硅为例,磷和硼是常用的掺杂原子,意图是为了添加资料的电子浓度。

  因此,要验证廖浡霖的理论,就有必要别离电子-声子相互效果和缺点对散热才能形成的影响。详细的施行办法即是,进步资猜中的电子浓度,但不能引进任何缺点。

  研讨小组开展了一种称作“三脉冲声光波谱”(three-pulse photoacoustic spectroscopy)的技能,经过光学的办法准确地在硅晶体薄膜中添加电子的浓度,并丈量资猜中的对声子发作的任何影响。

  这个技能是对传统的“二脉冲声光波谱”(two-pulse photoacoustic spectroscopy)的拓展,在传统的办法中,科学家们经过准确调控,对资料发作两束守时精准的激光。榜首束激光在资猜中发作声子脉冲,第二束则用来丈量声子脉冲的散射或衰减。

  廖浡霖引进了第三束激光,这么就能准确地添加硅资猜中的电子浓度而不引进任何缺点。在发射了第三束激光后,丈量成果显现,声子脉冲衰减时刻显着缩短,这表明了电子浓度的添加了声子的散射并按捺了它的活动。

电子-声子相互效果

  试验成果显现,第三束激光的引进会形成声子脉冲衰减时刻的缩短,激光的强度越大(电子的浓度越高),声子脉冲的衰减时刻就越短。

  这个成果让廖浡霖团队十分振奋,由于这很好地吻合了他们之前的计算成果。

  “咱们如今能够断定效应的确十分显着,而且咱们在试验中证实了它,”廖浡霖说道,“这是首个能够直接勘探电子-声子相互效果对声子的影响的试验。”

  风趣的是,每立方公分1019个电子的浓度,比现有的一些晶体管还要低,换句话说,最新发现的这种景象,是有些现有的微电子发热发烫的首恶之一。

  “依据咱们的研讨,跟着电路的尺寸越来越小,这个效应将会越来越重要,”廖浡霖说道,“咱们有必要仔细思考这个效应,而且研讨怎么使用或避免它带来的影响。”