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

Independentemente de qual vencer, eles reduzirão os gases do efeito estufa em bilhões de toneladas

Bolachas semicondutoras de nitreto de gálio refletem bem o autor Umesh Mishra.

Os semicondutores avançados podem reduzir as emissões de gases de efeito estufa o suficiente para fazer a diferença na luta para deter as mudanças climáticas? A resposta é um sim retumbante. Essa mudança está realmente bem encaminhada.

Começando por volta de 2001, o nitreto de gálio semicondutor composto fomentou uma revolução na iluminação que foi, segundo algumas medidas, a mudança tecnológica mais rápida da história da humanidade. Em apenas duas décadas, a participação no mercado global de iluminação de diodos emissores de luz à base de nitreto de gálio passou de zero para mais de 50%, de acordo com um estudo da Agência Internacional de Energia. A empresa de pesquisa Mordor Intelligence previu recentemente que, em todo o mundo, a iluminação LED será responsável por reduzir a eletricidade usada para iluminação em 30 a 40% nos próximos sete anos. Globalmente, a iluminação é responsável por cerca de 20% do uso de eletricidade e 6% das emissões de dióxido de carbono, de acordo com o Programa Ambiental das Nações Unidas.

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 de iluminação, nitreto de gálio (GaN), também faz parte de uma revolução na eletrônica de potência que agora está ganhando força. É um dos dois semicondutores - o outro sendo o carboneto de silício (SiC) - que começaram a substituir a eletrônica baseada em silício em enormes e vitais categorias de eletrônica de potência.

Os dispositivos GaN e SiC funcionam melhor e são mais eficientes do que os componentes de silício que estão substituindo. Existem incontáveis ​​bilhões desses dispositivos em todo o mundo, e muitos deles operam por horas todos os dias, então a economia de energia será substancial. A ascensão da eletrônica de potência GaN e SiC acabará tendo um impacto positivo maior no clima do planeta do que a substituição de lâmpadas incandescentes e outras lâmpadas legadas por LEDs GaN.

Praticamente em todos os lugares em que a corrente alternada deve ser transformada em corrente contínua ou vice-versa, haverá menos watts desperdiçados. Essa conversão ocorre no carregador de parede do seu telefone ou laptop, nos carregadores e inversores muito maiores que alimentam veículos elétricos e em outros lugares. E haverá economias semelhantes à medida que outras fortalezas de silício também caírem para os novos semicondutores. Amplificadores de estação base sem fio estão entre as aplicações crescentes para as quais esses semicondutores emergentes são claramente superiores. No esforço para mitigar a mudança climática, a eliminação do desperdício no consumo de energia é o fruto mais fácil, e esses semicondutores são a maneira como o colheremos.

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

Antes de chegarmos aos próprios semicondutores, 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 gadgets.

A conversão de energia é o processo que altera a eletricidade da forma disponível para a forma necessária para que um produto desempenhe sua função. Parte da energia sempre é perdida nessa conversão e, como alguns desses produtos funcionam continuamente, a economia de energia pode ser enorme. Considere: O consumo de eletricidade no estado da Califórnia permaneceu essencialmente estável desde 1980, mesmo quando a produção econômica do estado disparou. Uma das razões mais importantes pelas quais a demanda permaneceu estável é que a eficiência de refrigeradores e condicionadores de ar aumentou enormemente durante esse período. O único grande fator nessa melhoria foi o uso de acionamentos de velocidade variável baseados no transistor bipolar de porta isolada (IGBT) e outros eletrônicos de potência, que aumentaram muito a eficiência.