Нитрид галлия и карбид кремния борются за доминирование в сфере «зеленых» технологий

Aug 10, 2023

Независимо от того, кто из них победит, они сократят выбросы парниковых газов на миллиарды тонн.

Полупроводниковые пластины нитрида галлия хорошо отражают мнение автора Умеша Мишры.

Могут ли передовые полупроводники сократить выбросы парниковых газов настолько, чтобы изменить ситуацию в борьбе за прекращение изменения климата? Ответ – громкое да. На самом деле такие изменения уже идут полным ходом.

Примерно начиная с 2001 года полупроводниковое соединение нитрид галлия спровоцировало революцию в освещении, которая, по некоторым оценкам, стала самым быстрым технологическим сдвигом в истории человечества. Согласно исследованию Международного энергетического агентства, всего за два десятилетия доля мирового рынка освещения, занимаемая светодиодами на основе нитрида галлия, выросла с нуля до более чем 50 процентов. Исследовательская фирма Mordor Intelligence недавно предсказала, что во всем мире светодиодное освещение приведет к сокращению потребления электроэнергии, используемой для освещения, на 30–40 процентов в течение следующих семи лет. По данным Программы ООН по окружающей среде, во всем мире на освещение приходится около 20 процентов потребления электроэнергии и 6 процентов выбросов углекислого газа.

Каждая пластина содержит сотни современных силовых транзисторовПитер Адамс

Эта революция еще далека от завершения. Действительно, он вот-вот перейдет на более высокий уровень. Сама полупроводниковая технология, которая изменила светотехническую промышленность, нитрид галлия (GaN), также является частью революции в силовой электронике, которая сейчас набирает обороты. Это один из двух полупроводников (второй — карбид кремния (SiC)), которые начали вытеснять кремниевую электронику в огромных и жизненно важных категориях силовой электроники.

Устройства на основе GaN и SiC работают лучше и эффективнее, чем кремниевые компоненты, которые они заменяют. Во всем мире существуют бесчисленные миллиарды таких устройств, и многие из них работают часами каждый день, поэтому экономия энергии будет существенной. Развитие силовой электроники на основе GaN и SiC в конечном итоге окажет большее положительное влияние на климат планеты, чем замена ламп накаливания и другого устаревшего освещения на светодиоды GaN.

Практически везде, где переменный ток необходимо преобразовать в постоянный или наоборот, будет меньше потраченных впустую ватт. Это преобразование происходит в настенном зарядном устройстве вашего телефона или ноутбука, в гораздо более крупных зарядных устройствах и инверторах, которые питают электромобили, и в других местах. И такая же экономия будет получена, когда другие кремниевые оплоты тоже перейдут к новым полупроводникам. Усилители беспроводных базовых станций относятся к числу растущих приложений, в которых эти новые полупроводники явно превосходят друг друга. В усилиях по смягчению последствий изменения климата устранение потерь в энергопотреблении — это легко висящий плод, и эти полупроводники — это то, как мы его собираем.

Это новый пример знакомой закономерности в истории технологий: одновременно реализуются две конкурирующие инновации. Как это все будет складываться? В каких приложениях будет доминировать SiC, а в каких — GaN? Тщательный взгляд на относительную силу этих двух полупроводников дает нам некоторые убедительные подсказки.

Прежде чем мы перейдем к самим полупроводникам, давайте сначала рассмотрим, зачем они нам нужны. Начнем с того, что преобразование энергии происходит повсюду. И это выходит далеко за рамки маленьких настенных зарядных устройств, которые питают наши смартфоны, планшеты, ноутбуки и бесчисленное множество других гаджетов.

Преобразование энергии — это процесс, который преобразует электричество из доступной формы в форму, необходимую для выполнения продуктом своих функций. При этом преобразовании всегда теряется некоторая энергия, а поскольку некоторые из этих продуктов работают непрерывно, экономия энергии может быть огромной. Подумайте: потребление электроэнергии в штате Калифорния оставалось практически неизменным с 1980 года, даже несмотря на то, что объемы производства в штате резко возросли. Одна из наиболее важных причин, по которой спрос оставался неизменным, заключается в том, что за этот период значительно возросла эффективность холодильников и кондиционеров. Самым большим фактором в этом улучшении стало использование приводов с регулируемой скоростью на основе биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) и другой силовой электроники, что значительно повысило эффективность.