Modern elektroniğin öyküsü genellikle bilgisayarlarımızdaki, telefonlarımızdaki ve giderek diğer her şeydeki bilgileri işleyen silikon tabanlı mikroçiplerin aralıksız gelişimiyle eş tutulur. Moore yasası, bu çiplerin nasıl daha kompakt ve güçlü hale geldiğinin iyi bilinen bir özeti haline geldi.
Ancak elektroniklerin modern yaşamda kritik, daha az bilinen bir rolü de vardır: tüm cihazlarımıza güç sağlayan elektriği yönlendirmek. Uygun bir şekilde “güç elektroniği” olarak adlandırılan bu alan, mühendislerin silikon çiplere değil, elektriği daha hızlı ve verimli bir şekilde işleyen yeni malzemelere dayalı güç kontrol cihazlarına geçmesiyle hızla değişiyor. Bazı yeni, silikon sonrası cihazlar zaten kullanılıyor ve gelecekte ekonomimizin çoğu fosil yakıtlardan elektriğe geçtiğinden daha iyi güç elektroniği çok daha önemli hale gelecek. Silikon tedarik zincirlerinin ciddi şekilde büküldüğü bir zamanda, bu yeni malzemeler patlama yaptı.
Bu yeni malzeme dalgası 2017’de Tesla’nın tarihinde çok önemli bir an ile karşı karşıya kaldığı laboratuvardan fırladı. Şirket iki başarılı lüks otomobil modeli piyasaya sürmüştü, ancak büyük bir otomobil üreticisi olma çabası içinde, şirketin geleceğini daha ucuz, toplu pazara yönelik bir araç yapma üzerine kumar oynadı.
Tesla, Model 3’ü piyasaya sürdüğünde, rekabette gizli bir teknik üstünlüğü vardı: silikon karbür adı verilen bir malzeme. Elektrikli otomobilin en önemli parçalarından biri, akülerden elektriği alıp farklı bir forma dönüştüren ve tekerlekleri döndüren motorlara besleyen çekiş invertörleridir. Teslas’ın bildiği koltuğunuza sabitleyin ivmesini elde etmek için, çekiş invertörleri, yüzlerce kilovat, küçük bir mahalleyi beslemeye yetecek kadar güç pompalarken, ölüm kalım otoyolu kullanımını kaldıracak kadar güvenilir olmalıdır.
Önceki çekiş invertörleri silikona dayalıyken, Model 3’ler silikon karbürden veya hem silikon hem de karbon içeren bir bileşik olan SiC’den yapılmıştır. Tesla’nın kullandığı silisyum karbür yongaları üreten Avrupa şirketi STMicroelectronics, bir aracın kilometre aralığını yüzde 10’a kadar artırabileceklerini ve otomotiv tasarımında önemli ölçüde yer ve ağırlık tasarrufu sağlayabileceklerini iddia etti. Nagoya Üniversitesi’nden elektrikli araç parçalarını söken mühendis Masayoshi Yamamoto, Nikkei Asia’ya verdiği demeçte, “Model 3’ün bir spor arabanınki kadar düşük bir hava direnci faktörü var” dedi. “İnverterlerin ölçeğini küçültmek, modern tasarımını mümkün kıldı.”
Model 3, kısmen çığır açan güç elektroniği sayesinde bir hit oldu ve elektrikli arabaların büyük ölçekte çalışabileceğini gösterdi. (Ayrıca Tesla’yı dünyanın en değerli şirketlerinden biri yaptı.)
Fransa’da bir yüksek teknoloji araştırma ve danışmanlık firması olan Yole Développement’in analisti Claire Troadec, “Tesla bu harika hareketi yaptı” dedi. , şirketin silisyum karbüre geçişine atıfta bulunuyor. “Bir buçuk yılda yaptıkları gerçekten inanılmazdı.”
Tesla’nın hızlı yükselişiyle, diğer otomobil üreticileri filolarını elektrikli hale getirmek için agresif bir şekilde harekete geçtiler. birçok yerde, hükümet yetkileri ile. Birçoğu ayrıca silisyum karbürü yalnızca çekiş invertörlerinde değil, klima gibi bileşenlere güç sağlayan DC/DC dönüştürücüler gibi diğer elektrikli bileşenlerde ve bir araba prize takılıyken pilleri yenileyen yerleşik şarj cihazlarında da kullanmayı planlıyor. ev. Silisyum karbür, silikondan çok daha pahalıdır, ancak birçok üretici, faydaların daha yüksek fiyatı telafi etmekten daha fazlası olduğu sonucuna varmaktadır.
Geçen ay, yarı iletken üreticisi Wolfspeed, New York eyaletinin dışında 1 milyar dolarlık bir silisyum karbür “fab” veya üretim tesisi açtı. Kuzey Carolina merkezli şirket, diğer alıcıların yanı sıra General Motors’a malzeme tedarik etmek için anlaşmalar yapıyor. GM başkan yardımcısı Shilpan Amin, elektronik araçların müşterileri “daha geniş menzil arıyor” dedi. “Güç elektroniğimizin tasarımında silisyum karbürü temel bir malzeme olarak görüyoruz.”
Elektrikli Araçlar için Kritik Bir Yıl
Genel otomobil pazarı durgunlaştıkça, pille çalışan arabaların popülaritesi dünya çapında yükseliyor .
- General Motors: Şirket, elektrikli araç endüstrisinde lider bir güç olmayı umuyor. CEO’su, GM’nin oraya nasıl varmayı planladığını paylaştı.
- Dönüm Noktası: Elektrikli araçlar hala pazarın küçük bir bölümünü oluşturuyor, ancak bu yıl yürüyüşleri durdurulamaz hale gelebilir. İşte neden.
- Kapsamlı Kabulün Önündeki Engel: Elektrikli araçların güvensiz olduğuna dair yanlış algı kolayca aşılamayabilir.
- Tesla’nın Başarısı: Üstün bir teknoloji hakimiyeti ve kendi tedarik zinciri, şirketin endüstri çapında bir krizi atlamasına izin verdi.
New York Valisi Kathy Hochul açılış töreninde Wolfspeed fabrikasından bahsetti. “Uzakta Silikon Vadisi denen küçük bir yer var. Bunu hiç duydun mu? Evet, biraz abartılıyor” dedi. “Silikon Karbür Vadisi’ne sizi ilk karşılayan ben olmak istiyorum çünkü gelecek bu.”
Yerel destekçilik bir yana, silikon, öngörülebilir gelecekte temel işlemci ve bellek yongası pazarları dahil olmak üzere yarım trilyon dolarlık yarı iletken endüstrisine hakim olmaya devam edecek. Ancak yılda yaklaşık 20 milyar dolarlık satışı olan güç elektroniği alanında, silisyum karbür önemli ilerlemeler kaydediyor. Yole Développement, silisyum karbür için otomotiv pazarının mevcut toplam 1 milyar dolardan 2027’de 5 milyar dolara çıkacağını tahmin ediyor.
STMicroeletronics yöneticisi Edoardo Merli, “Silikon karbür olmasaydı böyle bir elektrikli araç patlamasına sahip olmazdık” dedi.
Daha iyi yapı taşları
Silisyum ve silisyum karbür elektronikte faydalıdır çünkü yarı iletkenlerdir: Metaller gibi elektrik iletkenleri ve çoğu plastikte olduğu gibi yalıtkanlar arasında geçiş yapabilirler. Bu yetenek, yarı iletkenleri, modern elektroniğin temel yapı taşları olan transistörlerdeki temel malzemeler yapar.
Silisyum karbür, geniş bir bant aralığına sahip olması bakımından silisyumdan farklıdır, yani iki durum arasında geçiş yapmak için daha fazla enerji gerektirir. Geniş bant aralığı veya WBG yarı iletkenler, güç elektroniğinde avantajlıdır çünkü daha fazla gücü daha verimli bir şekilde hareket ettirebilirler.
Silisyum karbür, on yıllardır bir transistör malzemesi olarak geliştirilmekte olan WBG’lerin kıdemli vatandaşıdır. O zamanlar mühendisler, galyum nitrür veya GaN gibi daha genç başlangıçlı WBG malzemeleri kullanmaya başladılar. 1980’lerde araştırmacılar, dünyanın ilk parlak mavi LED’lerini oluşturmak için galyum nitrür kullandılar. Mavi ışık, yüksek enerjili fotonlardan oluşur; Geniş bant aralığına sahip galyum nitrür, yeterli enerjiyle pratik olarak foton üretebilen ilk yarı iletkendi. 2014 yılında, TV ekranları ve ampuller gibi cihazlarda yaygınlaşan bu yenilik için üç bilim insanı Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.
Son zamanlarda, araştırmacılar güç elektroniğini geliştirmek için galyum nitrür kullanmaya başladılar. Materyal, geçtiğimiz birkaç yıl içinde telefonları ve bilgisayarları şarj etmek için kullanılan adaptörlerde ticari meyveye ulaştı. Bu adaptörler, silikon transistör kullanan geleneksel adaptörlerden daha küçük, daha hafif, daha hızlı şarj oluyor ve daha verimli.
Apple’ın piyasaya sürülen galyum nitrür dizüstü bilgisayar şarj cihazlarındaki transistörleri sağlayan Kanadalı bir şirket olan GaN Systems’in CEO’su Jim Witham, “Bilgisayarınız için satın aldığınız tipik bir şarj cihazı yüzde 90 verimlidir” dedi. Geçen sonbaharda. “Galyum nitrür yüzde 98 verimli. Güç kayıplarını dört kat azaltabilirsiniz.”
Yole Développement, galyum-nitrür pazarının bu yılki toplam 200 milyon dolardan 2027’de 2 milyar dolara çıkacağını tahmin ediyor.
Geniş bant aralıklı malzemeler diğer uygulamalara da giriyor. Veri merkezleri, hepimizin bağımlı olduğu çevrimiçi hizmetleri çalıştıran bilgisayar sunucularıyla dolu büyük tesisler, kötü şöhretli elektrik kullanıcılarıdır. Veri merkezlerine üst düzey güç kaynakları tedarikçisi olan Compuware, galyum nitrür bazlı güç kaynaklarının boşa harcanan elektriği yaklaşık yüzde 25 oranında azalttığını ve geleneksel cihazlardan yüzde 20 daha az yer kapladığını ve müşterilerin aynı yerde daha fazla sunucu çalıştırmasına olanak tanıdığını söylüyor. raflar. Şirket ayrıca galyum nitrür güç kaynaklarının dünya çapında büyük şirketler tarafından işletilen veri merkezlerinde kullanıldığını söylüyor.
Mühendisler ayrıca yenilenebilir enerji kaynaklarından daha iyi yararlanmak için WBG malzemeleri kullanmak üzerinde çalışıyorlar. Güneş pilleri ve rüzgar türbinleri, elektriği bir eve veya şebekeye beslemek için çekiş invertörlerine güveniyor ve birçok şirket galyum nitrürün bu işi silikondan daha iyi yapmasını bekliyor. Güneş enerjisiyle çalışan kurulumlar için inverter tedarikçisi olan Enphase, on yıllardır zorlu çatı hava koşullarına dayanabileceklerinden emin olmak için şu anda galyum nitrür bazlı inverterleri test ediyor. Bir testte, Enphase invertörleri su altında bir düdüklü tencerenin içine daldırır, düdüklü tencereyi kapalı bir haznenin içine koyar ve 21 gün boyunca sıcaklığı 185 derece ile eksi 40 derece Fahrenhayt arasında salınım yapar. Galyum nitrür cihazları zorluklardan kurtulursa, Enphase’in kurucu ortağı Raghu Belur, yeni malzemeye hızlı bir geçiş yapmayı planlıyor. “Kesinlikle bu yöne gidiyor” dedi.
Geçen yıl bir yatırımcı toplantısında, kıdemli bir Enphase mühendisi “Silikon için yolun sonu geldi” diyerek daha kesin bir tahminde bulundu.
WBG bileşenleri üreten şirketler, sıkı silikon tedarik zincirlerini sıkıştıran çip sıkışmasından büyük ölçüde kaçındı. Pandemi küresel ticareti alt üst etmeden önce, silisyum karbür ve galyum nitrür hızla yükseliyordu ve malzemelerle ilgilenen şirketler, sorunsuz bir şekilde ilerleyen üreticilerle tedarik anlaşmaları imzaladı. Kriz aslında bazı WBG yarı iletken üreticilerine yardımcı oldu: Mevcut silikon krizinden bıkmış çip alıcıları, gelecekte diğer malzemelerle benzer sorunları önlemek için uzun vadeli anlaşmalar imzaladılar.
Yaşam döngüleri döngüsü
Şirketler silisyum karbür ve galyum nitrüre geçiş yaparken bile, araştırmacılar güç elektroniğini daha da geliştirebilecek yeni WBG malzemeleri geliştiriyorlar. 2012 yılında, Japonya Ulusal Bilgi ve İletişim Teknolojisi Enstitüsü’nde araştırmacı olan Masataka Higashiwaki, silikon karbür ve galyum nitrürden önemli ölçüde daha yüksek bir bant aralığına sahip bir malzeme olan galyum oksitten yapılmış umut verici bir transistör duyurdu. Dr. Higashiwaki, galyum oksitten yapılan bileşenlerin silikon, silisyum karbür ve galyum nitrürden yapılanlara göre “çok daha düşük kayıp sağlayabildiğini” ve “yüksek verimle sonuçlandığını” söyledi. Bilim adamları malzemeyi geliştirmede hızlı ilerleme kaydettiler. Dr. Higashiwaki, önümüzdeki on yıl içinde elektrikli otomobillerde geliştirilmiş çekiş invertörleri gibi ürünlerde görünmeye başlayacağını umuyor.
Ancak yenilik olduğu gibi, ufukta daha da iyi parlayan bir şey var. Bayan Troadec, “Elmas, ultra geniş bant aralığına sahip nihai malzemedir,” dedi, ancak herhangi birinin bu olağanüstü değerli taşı olağanüstü değerli bir yarı iletkene dönüştürmeyi başarması uzun zaman alacak.
The New York Times haberinden çevrildi ve haberleştirildi.