Il nitruro di gallio e il carburo di silicio combattono per il dominio della tecnologia verde

Indipendentemente da quale dei due vincerà, ridurranno i gas serra di miliardi di tonnellate

I wafer semiconduttori al nitruro di gallio riflettono bene l'autore Umesh Mishra.

Possono semiconduttori avanzati ridurre le emissioni di gas serra in misura sufficiente a fare la differenza nella lotta per arrestare il cambiamento climatico? La risposta è un sonoro sì. Tale cambiamento è in realtà già ben avviato.

A partire dal 2001 circa, il nitruro di gallio, un semiconduttore composto, ha fomentato una rivoluzione nel campo dell’illuminazione che è stata, per certi versi, il cambiamento tecnologico più veloce nella storia umana. Secondo uno studio dell’Agenzia internazionale per l’energia, in soli due decenni la quota del mercato globale dell’illuminazione detenuta dai diodi emettitori di luce a base di nitruro di gallio è passata da zero a oltre il 50%. La società di ricerca Mordor Intelligence ha recentemente previsto che, a livello mondiale, l’illuminazione a LED ridurrà l’elettricità utilizzata per l’illuminazione del 30-40% nei prossimi sette anni. Secondo il Programma ambientale delle Nazioni Unite, a livello globale, l’illuminazione rappresenta circa il 20% del consumo di elettricità e il 6% delle emissioni di anidride carbonica.

Ogni wafer contiene centinaia di transistor di potenza all'avanguardiaPeter Adams

Questa rivoluzione non è affatto finita. In effetti, sta per passare a un livello superiore. Anche la tecnologia dei semiconduttori che ha trasformato il settore dell’illuminazione, il nitruro di gallio (GaN), fa parte di una rivoluzione nell’elettronica di potenza che ora sta prendendo piede. È uno dei due semiconduttori – l’altro è il carburo di silicio (SiC) – che hanno iniziato a soppiantare l’elettronica basata sul silicio in categorie enormi e vitali dell’elettronica di potenza.

I dispositivi GaN e SiC funzionano meglio e sono più efficienti dei componenti in silicio che stanno sostituendo. Esistono innumerevoli miliardi di questi dispositivi in ​​tutto il mondo e molti di essi funzionano per ore ogni giorno, quindi il risparmio energetico sarà sostanziale. L’ascesa dell’elettronica di potenza GaN e SiC avrà in definitiva un impatto positivo maggiore sul clima del pianeta rispetto alla sostituzione dell’illuminazione a incandescenza e di altri sistemi di illuminazione tradizionali con i LED GaN.

Praticamente ovunque la corrente alternata debba essere trasformata in corrente continua o viceversa, ci saranno meno watt sprecati. Questa conversione avviene nel caricabatterie da muro del tuo telefono o laptop, nei caricabatterie e negli inverter molto più grandi che alimentano i veicoli elettrici e altrove. E ci saranno risparmi simili man mano che anche altre roccaforti del silicio cadranno a causa dei nuovi semiconduttori. Gli amplificatori per stazioni base wireless sono tra le applicazioni in crescita per le quali questi semiconduttori emergenti sono chiaramente superiori. Nello sforzo di mitigare il cambiamento climatico, eliminare gli sprechi nel consumo di energia è la cosa più a portata di mano, e questi semiconduttori sono il modo in cui lo raccoglieremo.

Questo è un nuovo esempio di un modello familiare nella storia della tecnologia: due innovazioni concorrenti che si realizzano contemporaneamente. Come si risolverà tutto? In quali applicazioni prevarrà il SiC e in quali prevarrà il GaN? Uno sguardo attento ai punti di forza relativi di questi due semiconduttori ci fornisce alcuni indizi concreti.

Prima di arrivare ai semiconduttori stessi, consideriamo innanzitutto il motivo per cui ne abbiamo bisogno. Per cominciare: la conversione di potenza è ovunque. E va ben oltre i piccoli caricabatterie da parete che supportano i nostri smartphone, tablet, laptop e innumerevoli altri gadget.

La conversione di potenza è il processo che trasforma l'elettricità dalla forma disponibile alla forma richiesta affinché un prodotto possa svolgere la sua funzione. Una parte dell'energia viene sempre persa in questa conversione e, poiché alcuni di questi prodotti funzionano continuamente, il risparmio energetico può essere enorme. Considerate: il consumo di elettricità nello stato della California è rimasto sostanzialmente stabile dal 1980 anche se la produzione economica dello stato è salita alle stelle. Uno dei motivi più importanti per cui la domanda è rimasta stabile è che l’efficienza dei frigoriferi e dei condizionatori è aumentata enormemente in quel periodo. Il fattore più importante in questo miglioramento è stato l'uso di azionamenti a velocità variabile basati sul transistor bipolare a gate isolato (IGBT) e altri componenti elettronici di potenza, che hanno notevolmente aumentato l'efficienza.