آینده محصولات سیلیکونی چه می‌شود و چه جایگزین‌هایی در راه هستند؟

داستان صنایع الکترونیکی مدرن با پیشرفت‌های مختلف در زمینه ریزتراشه‌های سیلیکونی مترادف شده است؛ ریزتراشه‌هایی که اطلاعات را در کامپیوترها، گوشی‌ها و تقریبا همه محصولات پیرامون‌مان پردازش می‌کنند. حالا با توجه به همه مشکلاتی که در تامین سیلیکون به وجود آمده، شرکت‌ها به دنبال جایگزینی برای این ماده می‌گردند و اخیرا به استفاده از سیلیکون کاربید و گالیوم نیترید روی آورده‌اند. ولی به راستی آینده محصولات سیلیکونی چه خواهد شد؟

قطعات الکترونیکی با هدایت الکتریسیته‌ای که انرژی گجت‌های ما را تامین می‌کنند، نقش مهمی در زندگی مدرن دارند. این حوزه که با عنوان «الکترونیک قدرت» شناخته می‌شود، به سرعت در حال تغییر است چون مهندسان در حال حرکت به سمت دستگاه‌هایی هستند که نه بر اساس تراشه‌های سیلیکونی بلکه بر اساس مواد جدیدی ساخته می‌شوند که سریع‌تر و بهینه‌تر الکتریسیته را منتقل می‌کنند.

برخی از نمونه‌های این دستگاه‌ها همین حالا وارد بازار شده‌اند و می‌توانیم منتظر باشیم که قطعات حوزه الکترونیک قدرت در آینده اهمیتی بیشتری پیدا کنند، چرا که اقتصاد از اتکا به سوخت‌های فسیلی در حال حرکت به سمت استفاده از برق است. به‌علاوه، در دوره‌ای که زنجیره تامین سیلیکون با مشکلات جدی روبرو شده، مواد جدید می‌توانند به‌راحتی جایگاه خود را در بازار پیدا کنند.

این مواد جدید اولین بار به‌صورت جدی در سال 2017 از آزمایشگاه سر درآوردند، زمانی که شرکت تسلا با یک پیچ تاریخی در فعالیت‌های خود مواجه شد. این شرکت تا آن زمان دو خودروی لوکس معرفی کرده بود، اما در تلاش برای تبدیل شدن به یک خودروساز موفق، سعی داشت با سرمایه‌گذاری در زمینه تولید انبوه و ساخت محصولات ارزان‌تر برای آینده قمار کرد.

سیلیکون کاربید

وقتی تسلا اتومبیل مدل 3 را عرضه کرد، به لحاظ فنی نسبت به رقبا یک برتری مخفیانه داشت. این محصول از ماده‌ای به نام سیلیکون کاربید (SiC) استفاده می‌کرد. یکی از قطعات اصلی خودروهای برقی اینورتر کِشنده (Traction Inverter) است که برق را از باتری دریافت می‌کند و بعد از تبدیل آن را به موتور می‌دهد. خودروهای تسلا برای دستیابی به سرعت بالایی که سرنشین را میخکوب می‌کند، باید با استفاده از اینورترهای کشنده صدها کیلووات برق را به موتور برسانند.

اینورترهای کشنده در گذشته از سیلیکون ساخته می‌شدند، ولی این قطعه در مدل 3 با سیلیکون کاربید تولید شد که ترکیبی از سیلیکون و کربن است. شرکت اروپایی STMicroelectronics که تولید سیلیکون کاربید تسلا را برعهده گرفت، مدعی بود که می‌تواند دامنه مسافت خودرو را تا 10 درصد افزایش داده و به‌طور همزمان در فضا و وزن صرفه‌جویی زیادی داشته باشد.

«ماسایوشی یاماموتو»، مهندس دانشگاه ناگویای ژاپن که متخصص کالبدشکافی قطعات خودروهای برقی است، می‌گوید: «مقاومت هوا در مدل 3 به اندازه خودروهای ورزشی کم است. و این طراحی خطی به واسطه کاهش اندازه اینورترها ممکن شده است.»

تسلا مدل 3 به خاطر قطعات الکترونیک قدرت خود به موفقیت زیادی دست پیدا کرد و نشان داد که خودروهای برقی تا چه اندازه می‌توانند قدرتمند عمل کنند. «کلیر ترودک»، تحلیل‌گر شرکت فرانسوی Yole Developpement می‌گوید کاری که تسلا در یک سال و نیم انجام داد، فوق‌العاده بود.

سایر خودروسازان با مشاهده موفقیت تسلا به سرعت به دنبال ساخت اتومبیل‌های برقی رفتند. بسیاری از آن‌ها حالا نه تنها می‌خواهند در اینورترها از سیلیکون کاربید استفاده کنند، بلکه به دنبال استفاده از این ماده در مبدل‌های DC/DC هستند که انرژی بخش‌هایی مثل سیستم تهویه هوا و شارژرها را تامین می‌کنند.

هزینه سیلیکون کاربید بسیار بیشتر از سیلیکون است، اما بسیاری از شرکت‌ها به این نتیجه رسیده‌اند که پذیرش این هزینه‌ی بالاتر ارزش استفاده از این ماده را دارد. ماه گذشته میلادی، شرکت تولیدکننده نیمه‌رسانا Wolfspeed یک کارخانه سیلیکون کاربید 1 میلیارد دلاری در نیویورک افتتاح کرد. این شرکت که مقر آن در شمال کالیفرنیا قرار گرفته، با کمپانی جنرال موتورز و چند مشتری دیگر قرارداد بسته تا قطعات موردنیاز آن‌ها را تامین کند. «شیلپان امین»، معاون جنرال موتورز می‌گوید مشتریان وسایل الکترونیکی به دنبال دامنه توان بالاتر هستند: «ما به سیلیکون کاربید به عنوان یکی از مواد اصلی در طراحی قطعات الکترونیک قدرت نگاه می‌کنیم.»

نیویورک به دره سیلیکون کاربید تبدیل می‌شود؟

«کیتی هوچول»، فرماندار نیویورک در مراسم افتتاح کارخانه Wolfspeed گفت: «منطقه کوچکی در فاصله بسیار دور از ما قرار دارد که دره سیلیکون نامیده می‌شود. آیا تا به حال اسمش را شنیده‌اید؟ بله، درباره این منطقه مبالغه شده. من می‌خواهم اولین کسی باشم که ورود شما را به دره سیلیکون کاربید خوش‌آمد می‌گویم، چون آینده این‌جاست.»

سیلیکون همچنان در آینده نزدیک بازار نیم تریلیون دلاری نیمه‌رساناها را در دست خواهد داشت. ولی سیلیکون کاربید در حوزه قطعات الکترونیک قدرت که سالانه حدود 20 میلیارد دلار فروش دارد، در حال ایجاد تغییرات مهمی است. Yole Developpement پیش‌بینی می‌کند که بازار سیلیکون کاربید در صنعت خودرو تا سال 2027 پنج میلیارد دلار بیشتر از رقم فعلی خود خواهد شد. این رقم فعلا کمی بیشتر از 1 میلیارد دلار است.

«ادواردو مرلی»، مدیر STMicroeletronics می‌گوید: «بدون سیلیکون کاربید نمی‌توانستیم به چنین جهشی در بازار خودروهای برقی دست پیدا کنیم.»

گالیوم نیترید

سیلیکون و سیلیکون کاربید در صنعت الکترونیک کاربردی‌اند چون نیمه‌رسانا هستند: یعنی می‌توانند مثل فلزات رسانای الکتریکی و مثل پلاستیک‌ها نارسانا باشند. این ویژگی باعث می‌شود نیمه‌رساناها مواد مهمی در تولید ترانزیستورها باشند و زیربنای قطعات مدرن الکترونیکی را شکل دهند.

سیلیکون کاربید نسبت به سیلیکون نوار ممنوعه پهن‌تری دارد، یعنی انرژی بیشتری لازم است تا بین دو حالت جابه‌جا شود. نیمه‌رساناهای دارای نوار ممنوعه پهن یا WBG در قطعات الکترونیک قدرت کاربردی‌ترند چون می‌توانند توان بیشتری را به شکل بهینه‌تر منتقل کنند.

سیلیکون کاربید یکی از مهم‌ترین مواد WBG است که دهه‌هاست برای استفاده شدن در تولید ترانزیستورها در دست توسعه قرار دارد. ولی عده دیگری از مهندسان به سراغ ماده دیگری به نام گالیوم نیترید (GaN) رفته‌اند. محققان در دهه 1980 برای ساخت اولین LED نور آبی از این ماده استفاده کردند. نور آبی از فوتون‌های پرانرژی تشکیل شده است. گالیوم نیترید اولین نیمه‌رسانایی بود که توانست فوتونی با این اندازه انرژی تولید کند.

محققان اخیرا به استفاده از گالیوم نیترید برای بهبود قطعات الکترونیک قدرت روی آورده‌اند. این ماده در سال‌های اخیر به ثمره نشسته و در شارژر گوشی‌ها و کامپیوترها به کار گرفته شده است. این آداپتورها کوچک‌تر، سبک‌تر، سریع‌تر و بهینه‌تر از آداپتورهایی هستند که از ترانزیستورهای سیلیکونی استفاده می‌کنند.

گالیوم نیترید در محصولات اپل

«جیم ویتام»، مدیر ارشد شرکت کانادایی GaN Systems که ترانزیستور گالیوم نیترید شارژر لپ‌تاپ‌های اپل را تامین می‌کرد، می‌گوید: «شارژرهای معمولی که برای کامپیوترهای خود می‌خرید، دارای بهره‌وری 90 درصدی هستند. بهره‌وری گالیوم نیترید 98 درصد است. بنابراین می‌توانید هدررفت انرژی را چهار برابر کمتر کنید.»

شرکت Yole Developpement تخمین می‌زند که بازار گالیوم نیترید تا سال 2027 به 2 میلیارد دلار برسد. ارزش این بازار در حال حاضر حدود 200 میلیون دلار است.

مواد WBG در حال ورود به سایر حوزه‌ها هم هستند. دیتاسنترها به خاطر استفاده از تعداد زیاد سرورهایی که خدمات آنلاین ارائه می‌کنند، معمولا مصرف برق بالایی دارند. شرکت Compuware که تامین‌کننده منابع تغذیه پرتوان برای دیتاسنترهاست، می‌گوید منابع تغذیه گالیوم نیترید هدررفت برق را تا 25 درصد کاهش می‌دهند و تا 20 درصد فضای کمتری اشغال می‌کنند. در نتیجه، می‌توان سرورهای بیشتری را در قفسه‌ها جا داد. این شرکت می‌گوید منابع تغذیه گالیوم نیترید آن‌ها توسط شرکت‌های بزرگی در سراسر دنیا مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

گالیوم نیترید برای انرژی‌های تجدیدپذیر

مهندسان می‌خواهند از مواد WBG برای استفاده بیشتر از منابع انرژی‌های تجدیدپذیر کمک بگیرند. سلول‌های خورشیدی و توربین‌های بادی برای انتقال برق به خانه‌ها و شبکه برق متکی به اینورترها هستند، و بسیاری از شرکت‌ها انتظار دارند که گالیوم نیترید این کار را بهتر از سیلیکون برای آن‌ها انجام دهد.

یکی از تامین‌کنندگان اینورترهای انرژی خورشیدی به نام Enphase در حال حاضر مشغول آزمایش اینورترهای گالیوم نیترید است تا مطمئن شود که این قطعات می‌توانند دهه‌ها در شرایط سخت جوی در پشت‌بام‌ها تاب بیاورند. در یکی از تست‌های این شرکت، اینورترها زیر آب تحت فشار قرار می‌گیرد و به مدت 21 روز در دمایی بین 85 تا منفی 4 درجه سلسیوس آزمایش می‌شوند.

اگر گالیوم نیترید در این چالش‌ها موفق باشد، Enphase قصد دارد خیلی سریع تولیدات خود را به سمت این ماده ببرد. در واقع، یکی از مهندسان ارشد Enphase سال گذشته در جلسه‌ای با سرمایه‌گذاران پیش‌بینی دقیق‌تری در باره داشت. او گفته بود با آمدن گالیوم نیترید پایان راه سیلیکون رقم خواهد خورد.

شرکت‌هایی که قطعات WBG تولید می‌کنند، تا حد زیادی از گزند کمبود تراشه که تحت تاثیر مشکلات زنجیره تامین سیلیکون به وجود آمده، در امان بوده‌اند. تولید سیلیکون کاربید و گالیوم نیترید حتی پیش از آغاز همه‌گیری جهانی ویروس کرونا شدت گرفته بود و شرکت‌های مختلف قراردادهای متعددی را برای تامین این قطعات امضا کرده بودند.

بحران کمبود سیلیکون حالا به سازندگان نیمه‌رساناهای WBG کمک کرده است. خریداران تراشه که از چالش‌های تامین سیلیکون خسته شده‌اند، توافق‌های دراز مدتی را امضا کرده‌اند تا در آینده از بروز مشکلات مشابه در تامین این قطعات در امان بمانند.

فناوری‌های جانشین سیلیکون در آینده

با وجود این که شرکت‌های زیادی به استفاده از سیلیکون کاربید و گالیوم نیترید متمایل شده‌اند، محققان در حال توسعه مواد WBG جدیدی هستند که توان قطعات الکترونیک قدرت را افزایش خواهند داد. «ماساتاکا هیگاشیواکی»، محقق موسسه ملی اطلاعات و فناوری ارتباطات ژاپن در سال 2012 از ترانزیستور پرپتانسیلی رونمایی کرد که از گالیوم اکسید ساخته شده بود.

نوار ممنوعه گالیوم اکسید بسیار بیشتر از سیلیکون کاربید و گالیوم نیترید است. قطعات که با این ماده ساخته می‌شوند، نسبت به سیلیکون، سیلیکون کاربید و گالیوم نیترید هدررفت انرژی خیلی کمتری خواهند داشت و در نتیجه بهره‌وری بیشتری ارائه می‌کنند.

دانشمندان تاکنون پیشرفت‌های زیادی در زمینه توسعه این نیمه‌رسانا داشته‌اند. دکتر هیگاشیواکی انتظار دارد که این ماده در یک دهه آینده در محصولاتی مثل اینورترهای کشنده‌ی خودروهای برقی به کار گرفته شود و بتوانیم آن‌ها را در بازار ببینیم.

با این حال، نوآوری همواره ادامه دارد و محققان از احتمال استفاده از یک ماده بهتر در آینده خبر می‌دهند. خانم ترودک می‌گوید: «الماس بهترین ماده از نظر پهنای نوار ممنوعه است.» با این وجود، احتمالا زمان زیادی طول می‌کشد تا پژوهشگران بتوانند این ماده بسیار گران قیمت را در قطعات الکترونیکی به کار بگیرند.