Nitreto de gálio e carboneto de silício lutam pelo domínio da tecnologia verde

Aug 10, 2023

Independentemente de qual deles vencer, reduzirão os gases com efeito de estufa em milhares de milhões de toneladas.

Wafers semicondutores de nitreto de gálio refletem bem o autor Umesh Mishra.

Podem semicondutores avançados reduzir as emissões de gases com efeito de estufa o suficiente para fazer a diferença na luta para travar as alterações climáticas? A resposta é um sim retumbante. Na verdade, essa mudança está bem encaminhada.

Começando por volta de 2001, o composto semicondutor nitreto de gálio fomentou uma revolução na iluminação que tem sido, em alguns aspectos, a mudança tecnológica mais rápida da história da humanidade. Em apenas duas décadas, a quota do mercado global de iluminação detida pelos díodos emissores de luz à base de nitreto de gálio passou de zero para mais de 50 por cento, de acordo com um estudo da Agência Internacional de Energia. A empresa de investigação Mordor Intelligence previu recentemente que, em todo o mundo, a iluminação LED será responsável pela redução da electricidade utilizada para iluminação em 30 a 40 por cento nos próximos sete anos. Globalmente, a iluminação é responsável por cerca de 20% do consumo de electricidade e 6% das emissões de dióxido de carbono, de acordo com o Programa das Nações Unidas para o Ambiente.

Cada wafer contém centenas de transistores de potência de última geraçãoPeter Adams

Esta revolução está longe de terminar. Na verdade, está prestes a saltar para um nível superior. A própria tecnologia de semicondutores que transformou a indústria da iluminação, o nitreto de gálio (GaN), também faz parte de uma revolução na electrónica de potência que está agora a ganhar força. É um dos dois semicondutores – sendo o outro o carboneto de silício (SiC) – que começaram a substituir a eletrônica baseada em silício em categorias enormes e vitais de eletrônica de potência.

Os dispositivos GaN e SiC têm melhor desempenho e são mais eficientes do que os componentes de silício que estão substituindo. Existem incontáveis ​​milhares de milhões destes dispositivos em todo o mundo, e muitos deles funcionam durante horas todos os dias, pelo que a poupança de energia será substancial. A ascensão da eletrônica de potência GaN e SiC acabará por ter um impacto positivo maior no clima do planeta do que a substituição de lâmpadas incandescentes e outras luminárias legadas por LEDs GaN.

Praticamente em todos os lugares onde a corrente alternada deve ser transformada em corrente contínua ou vice-versa, haverá menos watts desperdiçados. Essa conversão acontece no carregador de parede do seu telefone ou laptop, nos carregadores e inversores muito maiores que alimentam os veículos elétricos e em outros lugares. E haverá poupanças semelhantes à medida que outros redutos do silício também caírem nas mãos dos novos semicondutores. Os amplificadores de estação base sem fio estão entre as aplicações crescentes para as quais esses semicondutores emergentes são claramente superiores. No esforço para mitigar as alterações climáticas, eliminar o desperdício no consumo de energia é o fruto mais fácil de alcançar, e estes semicondutores são a forma como iremos colhê-lo.

Este é um novo exemplo de um padrão familiar na história da tecnologia: duas inovações concorrentes dando frutos ao mesmo tempo. Como tudo isso vai acontecer? Em quais aplicações o SiC dominará e em quais o GaN prevalecerá? Uma análise detalhada das forças relativas desses dois semicondutores nos dá algumas pistas sólidas.

Antes de abordarmos os semicondutores em si, vamos primeiro considerar por que precisamos deles. Para começar: a conversão de energia está em toda parte. E vai muito além dos pequenos carregadores de parede que sustentam nossos smartphones, tablets, laptops e inúmeros outros dispositivos.

A conversão de energia é o processo que transforma a eletricidade da forma disponível para a forma necessária para que um produto desempenhe sua função. Alguma energia é sempre perdida nessa conversão e, como alguns destes produtos funcionam continuamente, a poupança de energia pode ser enorme. Consideremos: o consumo de electricidade no estado da Califórnia permaneceu essencialmente estável desde 1980, mesmo quando a produção económica do estado disparou. Uma das razões mais importantes pelas quais a procura permaneceu estável é que a eficiência dos frigoríficos e dos aparelhos de ar condicionado aumentou enormemente durante esse período. O maior fator nessa melhoria foi o uso de drives de velocidade variável baseados no transistor bipolar de porta isolada (IGBT) e outros componentes eletrônicos de potência, o que aumentou bastante a eficiência.