Слой, который мешает теплу экспресс
Внутри мощного транзистора тепло уходит через стыки разных кристаллов, как вода через узкие шлюзы. Для нитридов алюминия и галлия — главных материалов силовой электроники — таким шлюзом часто служит тонкая прослойка их сплава. Её добавляют намеренно или она появляется сама при росте кристалла. Раньше никто не знал, помогает она отводить тепло или мешает.
Физики построили компьютерную модель на основе квантовых расчётов и проверили её для всех возможных составов сплава. Выяснилось: такая прослойка не улучшает, а заметно ухудшает передачу тепла — вплоть до двукратного падения. Причина в том, что атомы алюминия и галлия в сплаве расположены беспорядочно, и тепловые колебания рассеиваются на этих неровностях, как волны на каменистой отмели.
Но есть и хорошая новость. Если менять состав сплава не резко и не равномерно, а по плавной S-образной кривой — сначала медленно, потом быстро, снова медленно, — тепловой поток проходит границу почти без потерь. Такой переход работает как акустическая воронка: звук не отражается от ступеньки, а мягко перетекает в другую среду. Это открытие даёт инженерам простой рецепт: чтобы мощный чип не перегревался, нужно правильно «размазать» границу между материалами.
Тепловое сопротивление одной границы между кристаллами может быть больше, чем сопротивление целого микрометра самого материала — как если бы один стык рельсов тормозил поезд сильнее, чем километр пути.