居然有發熱量這麼低的國產功率管，工作起來是涼的。
腦洞大開的致冷晶體管
它是用什麼絕招來實現的呢？有個比喻，就是等於給晶體管內部安裝了一個量子空調機。
致冷三極管P-NPN PNP-P的結構和原理
學過無線電的人都知道，三極管是主要的晶體管，三極管只有兩種，NPN或PNP，在電路中的功能就是放大或者開關。如果你是非電子基礎人士，給你一個形象點的比喻，三極管就是一個電控的自來水龍頭，基極等於電控的把手，如果是NPN管，龍頭水入口就是集電極；如果是PNP管，龍頭的自來水入口就是發射極。與上圖示一致、易懂。雖然這麼簡單的比喻你就學會了三極管。不過現在琳琅滿目的電子產品，高大上的AI智能，全部都來源於這個最簡單的三極管。不誇張地說，沒有三極管，就沒有現代的信息社會。
沒有三極管就沒有現代化
1947年12月23日，美國新澤西州墨累山的貝爾實驗室裡，3位科學家——巴丁博士、布萊頓博士和肖克萊博士在一次電子實驗中發現三極管的神其特性，於是很牛X地共同榮獲了1956年諾貝爾物理學獎。當然這個偉大的貢獻，他們得什麼獎都實至名歸。不過這個基本結構已經70年沒進步了。
三極管的基本原理
另一方便麵，半導體制冷技術，已經在車載冰箱、冷熱水飲水機、電路強制致冷等領域大顯身手。因此，需要在這裡先聲明一點，本發明不是無中生有，只是把成熟技術直接應用在芯片製造領域的新舉措而已。這種新舉措帶來的效果是什麼呢：加速降溫，以主動吸熱來驅動散熱，減少芯片核心散熱壓力，讓芯片跑得更快更狠。
1821年，塞貝克發現在用兩種不同導體組成閉合迴路中，當兩個連接點溫度不同時，導體迴路就會產生電動勢(電流)。1834年J.C.A.珀爾帖在發現，由兩種不同材料構成迴路時，迴路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。珀爾帖效應是塞貝克效應的逆過程。1856年，湯姆遜利用他所創立的熱力學原理對塞貝克效應和帕爾帖效應進行了全面分析，並將本來互不相干的塞貝克係數和帕爾帖係數之間建立了聯繫。若電流過有溫度梯度的導體，則在導體和周圍環境之間將進行能量交換。半導體制冷是建立於塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應、傅立葉效應共五種熱電效應基礎上的製冷新技術。如果能把這種過百年的致冷技術用在芯片的核心散熱上，那將是劃時代的新應用。
眾所周知，熱量是芯片的致命殺手，誰能減少發熱，誰能快速散熱，都能搶盡風頭。intel、AMD、Nvidia的芯片之爭，很多時候都止步於芯片的溫度：再把性能調高一點，發熱散不出去，芯片就燒了。所以給了很多DIY者動手的無限空間，加強散熱，就能超頻。傳統散熱都是通過加大散熱片或者再加上散熱風扇強制散熱的方式來進行，但散熱能力有限。自從半導體致冷片製造技術的成熟與成本下降，愛動手的DIY們就經常把致冷片用在了芯片散熱上，並取得很多驚人的超頻成績。致冷片的應用是成功的。
DIY愛好者給芯片外加半導體致冷片散熱
也就是說，現在的芯片並不是跑不快了，而是因為熱量太大，再跑快就掛了。摩爾定律說，芯片性能每18個月能翻一番，歷史證明24個月真能翻一番，不過這個定律已經很久沒有再進步。困難卡在哪裡了？其中一個主要原因，也就是本文所說的頻率一上來，晶體管縮的越小，越難散熱。發熱一厲害，就很容易燒掉。當然還有其他如頻率干擾等原因不在此討論。
致冷晶體管，將能把摩爾定律的死穴破解，芯片核心發熱減少，芯片燒燬的幾率降低，意味著每一個芯片不用改變其他設計就能超頻。致冷晶體管的製造非常容易，只需要在晶體管的襯底下再長一層相應的極性材料，就能形成最新的致冷結構。如下圖所示，因為它複用原有晶體管的一部分材料N，然後在襯底（導體）下生長或沉澱一層P材料，兩個材料的中間是導體，不會形成新的PN結，但形成了半導體致冷的P-N結構，因為電子從N躍遷到P時，由於電子內能不足，必須在襯底上吸收熱量，以支撐電子在P中的姿態。這就是半導體致冷晶體管的核心微觀基礎。當然，這個電子帶著的能量將會在下一個電子能級需求低的材料中放熱出來。這如同家裡的空調，有吸熱端，也有放熱端。如果同時在芯片裡放熱，那就白忙了。由於這個吸熱機制活在量子能級的層面，所以行內有人戲稱其為
量子空調機。
NPN-P致冷三極管結構和原理
不過，在我們的設計中，晶片的內部只有吸熱端，放熱端設計在芯片之外。集成電路內有數以億計的晶體管，我們只需要在晶片的電子流出端安置致冷晶體管，這樣吸熱端就會在芯片內部形成，利用電子本身的流動帶走芯片內部的熱量，具體需要在哪裡放熱，隨便設計者處理了。放熱端只要遠離芯片，讓芯片涼快地工作，涼快地超頻，才是致冷晶體管的責任所在。這時候，芯片中的電子流如同人類大腦裡的血液，在大腦思考時，把腦袋中的熱量運輸出去。所以這個致冷晶體管技術也有一個時髦的叫法：叫做電子血液。據傳ｉｎｔｅｌ公司曾經有這個研發項目，不過無果而終，未見出廠。
內置無數個致冷晶片的大規模集成電路
除了在大功率三極管、集成電路中應用致冷晶體管技術，還可以更簡單地應用在場效應管、大功率二極管、LED發光管等領域上，只要複用一下原芯片的P或N材料，在晶片內形成P-N半導體致冷結構，你就實現了電子血液散熱的超強功能。當然這裡還是有訣竅，那就是選用添加什麼性質和滲雜比例的半導體，將是這個機制能否成功的關鍵。當吸收的熱量比發出的歐姆熱更多時，這個量子空調機，將隨著電流的流過永遠運作。
致冷二極管結構
可以預見，致冷晶體管將能把害怕發熱的芯片再度揚帆。
致冷場效應管原理與結構
如果你想實驗測試，很簡單，隨便找一個NPN的集電極是金屬散熱片晶體管，三極管或者場效應管都行然後找一片鍍錫的銅片，把這個銅片放進臭氧中氧化，加溫到幾十度氧化得更快。表面的錫將會均勻地變成氧化錫。讓後以這個銅片作為散熱器，把三極管安裝上去，然後通電測試，同樣做一個沒氧化的銅片做對比，相同的電流之下，你自己看哪一個溫度更低？因三極管內的P材料透過自己的集電極散熱片，與外部新加銅散熱片上的氧化錫(成了新的N材料)組成了一個P-N半導體致冷單元。
有很多研究過溫差發電，或者半導體致冷的朋友，會用傳統吸熱放熱的原理來辯駁這個效率很低。但是這個結構的核心是利用了半導體致冷理論體系其中的一個效應：湯姆遜效應。電子流過不同的導體時，除了放出焦耳熱，還會在接觸面吸熱或放熱。吸放熱的方向，全視乎兩種材料中的電子能級。電子從低能級的P材料流去高能級的N材料時，它需要吸入熱量，以維持他在高能級材料中的運行半徑。電子只要還在這個材料中流動，並不需要把能量放出來。
在不同半導體材料中電子勢能的差，就是本技術的核心與關鍵。尋找合適的材料，就能讓這個結構有效。
如果你是無線電愛好者，是否覺得腦洞大開，是否覺得有這樣巧妙的國產晶體管而感到驕傲，是否需要重新認識中國未來的的電子產業？
閱讀更多 發現道 的文章
