事关半导体！华为再拿新专利，半导体芯片将迎来新变革？

华为新专利引各国热议

据报道，华为宣布成功拿下了石墨烯晶体管专利，该专利还涉及了半导体领域，而这些技术的出现标志着中国在芯片研究领域进入了一个新的阶段。

石墨烯晶体管在石墨烯芯片研发上更是起着至关重要的作用，它能够提高电子的传输速度，同时有效增加芯片元件和器件的输出电阻，从而最大限度地提高射频性能。并且石墨烯芯片其独特的结构可以让雕刻呈现立体样式，这也极大地增加了芯片性能，现在华为宣布这项技术专利申请成功，无疑是国产芯片一个崭新的开始。

石墨烯芯片意义重大

石墨烯芯片的出现很可能将会彻底推动我国在半导体芯片研发中更进一步，而这种技术被我国掌握，也将会成为我国与美国 科技 对决中的一个“重大武器”。要知道目前市面上最常见的传统芯片遵循着一个定律——摩尔定律，早在半导体芯片研发之后，研发芯片的工程师曾经出过预言，日后每隔18-24个月，集成电路上可容纳的元器件的数目增加一倍，性能也将提升一倍。

这一预言对于传统芯片来说好比是一个诅咒，这意味着当集成电路上可容纳的元件数目达到一定数值时，传统芯片便很难有发展的前景。而随后石墨烯晶体的发现给人们提供了一个新的思路，但将想法变为现实的过程十分艰难，美国截至目前为止依旧没有攻破这一技术。

半导体芯片将迎来改革

现如今中国除了已经掌握石墨烯技术外，2020年5月北大团队制造出了纯度高达99.99%的碳纳米管阵列，其运转速度相较国外更快、耗能更低，相比较之下整整减少了三成耗能。据悉，碳纳米管阵列因为其优秀的性能，可以在更多的领域应用，不仅在人工智能、卫星定位等方面可以起到重要作用，同时在医疗设备、国防 科技 方面也有很大的用处。

有专家预测这种载流子迁移率和稳定性更高的碳纳米管阵列很可能将会取代传统的硅晶片，而石墨烯材料的出现更是为中国芯片铺垫了基础，届时中国势必会成为该领域的领头羊。

虽然我国在芯片技术制造工业中与美国还有不可逾越的鸿沟，但是我国芯片研发技术一直名列前茅，此次华为成功掌握石墨烯晶体管制造技术，也进一步证明我国完全有实力反超美国，现在所需要的只是时间。相信随着越来越多技术的突破，中国在芯片制造业也会取得进展，届时我国将会建立属于自己的芯片产业链，美国也无法再利用同样的手段限制中国。

车载小冰箱的半导体制冷原理 半导体制冷技术 材料是当今世界的三大支柱产业之一，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，尤其是近几十年来随着人类科学技术的进步，材料的发展更是日新月异，新材料层出不穷，其中半导体制冷材料就是其中的一个新兴的热门材料，其实半导体制冷技术早在十九世纪三十年代就已经出现了，但其性能一直不尽如人意，一直到了二十世纪五十年代随着半导体材料的迅猛发展，热点制冷器才逐渐从实验室走向工程实践，在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域获得应用，大到可以做核潜艇的空调，小到可以用来冷却红外线探测器的探头，因此通常又把热电制冷器称为半导体制冷器。 半导体制冷器件大致可以分为四类： （1）用于冷却某一对象或者对某个特定对象进行散热，这种情况大量出现在电子工业领域中； （2）用于恒温，小到对个别电子器件维持恒温 ，大到如制造恒温槽，空调器等(3)制造成套仪器设备，如环境实验箱，小型冰箱，各种热物性测试仪器等(4)民用产品，冷藏烘烤两用箱，冷暖风机等。 半导体制冷的应用： （1）在高技术领域和军事领域 对红外探测器，激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。比如，德国Micropelt公司的半导体制冷器体积非常小，只有1个平方毫米，可以和激光器一起使用TO封装。 （2）在农业领域的应用 温室里面过高或过低的温度，都将导致秧苗坏死，尤其部分名贵植物对环境更加敏感，迫切需要将适宜的温度检测及控制系统应用于现代农业。 （3）在医疗领域中的应用 半导体温控系统在医学上的应用更为广泛。如：用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等；用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。 半导体制冷的优点 半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可是制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。 半导体制冷器件的工作原理 半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V], πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab 帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相，帕尔帖系也具有加和性，即： Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I 因此绝对帕尔帖系数有πab=πa－ πb 金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。 半导体制冷材料的发展 AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同种类型的化合物质间，晶格热导率Kp随着平均原子量A的增长呈下降趋势。RWKeyes通过实验推断出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似与原子量A成正比，因此通常应选取由重元素组成的化合物作为半导体制冷材料。 半导体制冷材料的另一个巨大发展是1956年由AFIoffe等提出的固溶体理论，即利用同晶化合物形成类质同晶的固溶体。固溶体中掺入同晶化合物引入的等价置换原子产生的短程畸变，使得声子散射增加，从而降低了晶格导热率，而对载流子迁移率的影响却很小，因此使得优值系数增大。例如50%Bi2Te3－50%Bi2Se3固溶体与Bi2Te3相比较，其热导率降低33%，而迁移率仅稍有增加，因而优值系数将提高50%到一倍。 Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi－Sb合金和YBaCuO超导材料等曾经成为半导体制冷学者的研究对象，并通过实验证明可以成为较好的低温制冷材料。下面将分别减少这几种热电性能较好的半导体制冷材料。 二元Bi2Te3－Sb2Te3和Bi2Te3－Bi2Se3固溶体 二元固溶体，无论是P型还是N型，晶格热导率均比Bi2Te3有较大降低，但N型材料的优值系数却提高很小，这可能是因为在Bi2Te3中引入Bi2Se3时，随着Bi2Se3摩尔含量的不同呈现出两种不同的导电特性，势必会使两种特性都不会很强，通过合适的掺杂虽可以增强材料的导电特性，提高材料的优值系数，但归根结底还是应该在本题物质上有所突破。 三元Bi2Te3－Sb2Te3－Sb2Se3固溶体 Bi2Te3 和Sb2Te3是菱形晶体结构，Sb2Se3是斜方晶体结构，在除去大Sb2Se3浓度外的较宽组份范围内，他们可以形成三元固溶体。无掺杂时，此固溶体呈现P型导电特性，通过合适的掺杂，也可以转变为N型导电特性。在二元固溶体上添加Sb2Se3有两个优点：首先是提高了固溶体材料的禁带宽度。其次是可以进一步降低晶格热导率，因此Sb2Se3不论是晶体结构还是还是平均原子量，都与Bi2Te3 和Sb2Te3相差很大。当三元固溶体中Sb2Te3+5% Sb2Se3的总摩尔含量在55%～75%范围时，晶格热导率最低，约为0.8×10-2W/cm K，这个值要略低于二元时的最低值0.9×10-2W/cm K。 但是，添加Sb2Se3也会降低载流子的迁移率，将会降低优值系数，因此必须控制Sb2Se3的含量。 P型Ag(1-x)Cu(x)Ti Te材料 AgTi Te材料由于具有很低的热导率（k=0.3 W/cm K）,因此如能通过合适的掺杂提高其载流子迁移率μ和电导率σ，将有可能得到较高的优值系数Z。RMAyral-Marin等人通过实验研究，发现将AgTi Te和CuTi Te通过理想的配比形成固溶体，利用Cu原子替换掉部分Ag原子后，可以得到一种性能较好的P型半导体制冷材料Ag(1-x)Cu(x)Ti Te，其中x在0.3左右时，材料的热电性能最好。由此可见Ag(1-x)Cu(x)Ti Te的确是一种较好的P型半导体制冷材料。 N型Bi－Sb合金材料 无掺杂的Bi－Sb合金是目前20K到220K温度凡内优值系数最高的半导体制冷材料，其在富Bi区域内为N型，而当Sb含量超过75%时将转变为P型。在Bi的单晶体中引入Sb，没有改变晶体结构，也没有改变载流子（包括电子和空穴）浓度，但是拉大了导带和禁带之间的宽度。Sb的含量为0～5%时禁带宽度约为0eV，即导带和禁带相连，属于半金属；Sb含量在5%～40%时，禁带宽度值基本是在0.005eV左右，当Sb的含量在12%～15%时，达到最大，约为0.014eV，属于窄带本征半导体。由上文所述，禁带宽度的增加必将提高材料的温差电动势。80K到110K温度范围内，是Bi85Sb15的优值系数最高，高温时则是Bi92Te8最高。 YBaCuO超导材料 根据上面的介绍可知,在50K到200K的温度范围内,性能最好的半导体制坑材料是n型Bi(100-x)Sbx合金，其中Sb的含量在8%～15%。在100K零磁场的情况下，Bi－Sb合金的最高优值系数可达到6.0×10-3K-1，而基于Bi、Te的p型固溶体材料在100K时的优值系数却低于2.0×10-3K-1并且随着温度的下降迅速减小。因此，必须寻找一种新的p型低温热电材料，以和n型Bi－Sb合金组成半导体制冷电对。利用高Tc氧化物超导体代替p型材料，作为被动式p型电臂（称为HTSC臂，即High Tc Supercon－ducting Legs）,理论上可以提高电队的优值系数，经过实验证明也确实可行。半导体制冷电对在器件两臂满足最佳截面比时的最佳优值系数为： zmax= （1）式中的下标p和n分别对应p型材料和n型材料。由于HTSC超导材料的温差电动势率α几乎为零，但其电导率无限大，因此热导率κ和电导率δ的比值κ/δ却是无限小的，这样式（1）可以简化为： zmax(HTSC)=即由n型热电材料和HTSC臂所组成的制冷电对的优值系数，将等于n型材料的优值系数。 Mosolov A B等人分别利用以SrTiO3座基地的YBaCuO超导薄膜和复合YBaCuO－Ag超导陶瓷片作为被动式HTSC臂材料，用Bi91Sb9合金作为n型材料，制成单级半导体制冷器。实验结果表明：利用YBaCuO超导薄膜制成的制冷器，热端温度维持在85K，零磁场时可达到9.5K的最大制冷温差，加上0.07T横向磁场时能达到14.4K利用YBaCuO－Ag超导陶瓷片制成的单击制冷器，热端温度维持在77K时，相应的最大制冷温差分别是11.4K和15.7K。从半导体制冷器最大制冷温差计算公式，可以反算出80Kzuoyou这种制冷电对的优值系数约为6.0×10-3K-1，可见这种电对组合是有着很好的应用潜力的。随着高Tc超导体材料的发展，这种制冷点队的热端温度将会逐渐提高，优值系数也将逐渐增大，比将获得跟广泛的应用。

一,时间继电器的电气控制系统中是一个非常重要的元器件。一般分为通电延时和断电延时两种类型。

从动作的原理上有电子式、机械式等。电子式的是采用电容充放电再配合电子元件的原理来实现延时动作。机械式的样式较多，有利用气囊、d簧的气囊式；钟表擒纵装置的；也有使用小型罩极同步电机带动凸轮的，现在会有更多的新式的时间继电器出现。

时间继电器的用途就是配合工艺要求，执行延时指令。

二,继电器

当输入的物理量达到规定值时，其电气输出电路被接通或阻断的一种自动电器。广泛用于生产过程自动化装置，电力系统保护装置，各类远动、遥控和通信装置，是现代自动控制系统中最基础的电器元件之一。

继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成。前者用于反映输入量的变化，后者完成触点分合动作（对有触点继电器）或半导体元件的通断（对无触点继电器）。继电器具有跳跃的输入-输出特性 。当继电器接受一个输入信号X时，只有它达到动作值Xd，继电器才动作，输出从零跃至Ymax。输入信号继续增大，输出信号仍为Ymax不变。继电器动作之后，如果减少输入信号，则继电器只在输入减少到Xf时才动作，返回起始位置，输出信号跃回零。这一特性称为继电特性。这里，使继电器开始动作的输入量值（动作值）、使继电器恢复原状态的输入最大量值（返回值）、触点的额定电压与电流（触点额定量值）、继电器由一种状态变至另一种状态的时间（动作时间）是继电器的主要技术参数。它们既表征继电器工作过程的性能，又是选用继电器的依据。

继电器有多种分类。如电气量继电器（其输入量可为电流、电压、频率、功率等），非电量继电器（其输入量可为温度、压力、速度等）；保护继电器，控制继电器；有触点继电器，无触点继电器 ；敞开式（主体元件无防护措施）、封闭式（加保护外壳）、密封式（外壳内外无气体交换）继电器等等。常用的按工作原理分类的继电器有电磁继电器 、极化继电器、舌簧继电器、热继电器和时间继电器等。20世纪后，继电器有很大发展，先后出现磁性无触点继电器、半导体无触点继电器、专用集成电路式电子时间继电器、固态继电器、印刷电路板安装式（双列直插式）继电器，以及带微处理器的保护继电器和智能化继电器。

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