El mayor desafío que enfrenta nuestra generación es la creciente demanda de energía.global electricidad El consumo per cápita ha aumentado un 50% en los últimos 30 años debido a muchos cambios sociales. A medida que tenemos más y más electrodomésticos en nuestros hogares, la cantidad de enchufes eléctricos en nuestros hogares aumenta. Hemos sido testigos de un auge en la tecnología de consumo. Los teléfonos celulares, las computadoras, las computadoras portátiles y los relojes están todos en el poder. Desde juguetes hasta sistemas de soporte de vehículos, asientos reclinables, herramientas de jardinería y cinturones salvavidas, verá motores de todos los tamaños que nunca antes había visto. Y, por supuesto, ahora estamos entrando en la era de los vehículos eléctricos (EV), con el desarrollo de aviones eléctricos. Se espera que esta tendencia de digitalización y electrificación continúe y se acelere.
Los centros de datos de hoy utilizan alrededor del 1% de la energía eléctrica del mundo. Para 2030, el procesamiento, el análisis de big data, la extracción de criptomonedas, la transmisión de datos, la inteligencia artificial, etc. consumirán más del 20 % de la demanda mundial de electricidad, de la cual se prevé que el 7 % solo se necesitará para alimentar los centros de datos. Mirando el panorama general, puede ver que el combustible convencional escasea. Y lo más importante, el calentamiento global. El Acuerdo de París de 2016 comprometió a los países a reducir sus emisiones, y muchos ahora se comprometen formalmente a lograr la neutralidad climática o emisiones netas cero para 2050. En la reciente cumbre COP26 en Glasgow se acordaron compromisos adicionales para fortalecer estos objetivos. El cambio más evidente es la introducción de los vehículos eléctricos, que adoptan formas eficientes de energía alejadas de los combustibles fósiles. Esto hace que la contribución de los semiconductores de potencia sea más importante que nunca.
Los fabricantes de semiconductores de potencia están en una posición responsable porque nuestros productos son habilitadores neutrales en carbono. Como ingenieros, necesitamos lograr mejoras en la eficiencia de conversión de energía, pero esto requiere soluciones más allá del silicio estándar.
Figura 1 presenta los límites físicos teóricos de los FET de silicio y los dispositivos fabricados con dos materiales de banda prohibida ancha (WBG), carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN). El silicio claramente se ha beneficiado de años de desarrollo, pero tiene sus límites. Para tecnologías relativamente nuevas, SiC y GaN ya están funcionando de manera eficiente más allá de los límites del silicio tradicional y solo se pueden mejorar, lo que las hace fundamentales para que WBG enfrente los desafíos de las próximas décadas.
(Fuente: Yole Développement, “GaN Power 2021: Epitaxy, Devices, Applications and Technology Trends”, 2021)
La Figura 2 muestra el crecimiento proyectado de GaN basado en el informe de 2021 de Yole Développement. Aunque el mercado se encuentra en sus primeras etapas, mostrará un crecimiento exponencial en los próximos años, con una CAGR de más del 70% para 2026. Este es un buen indicador de que WBG es necesario para cumplir con nuestros desafíos energéticos generales. Es decir, utilizando el poder en nuevas aplicaciones. de la manera más responsable.
Para evaluar la adopción de GaN como una nueva tecnología, se deben considerar cuatro puntos clave:
- Desempeño: El rápido desarrollo y adopción de productos WBG ha permitido niveles de desempeño inimaginables hace solo unos años. De hecho, algunos requisitos de proyectos nuevos no son posibles sin un dispositivo WBG. Sin embargo, si bien los niveles de rendimiento actuales ya son atractivos, aún queda mucho por investigar e innovar, especialmente para GaN, ya que aún no se alcanzan los límites de rendimiento teóricos.
- Costo: Los niveles de costo/desempeño de las soluciones de silicio son bien entendidos y aceptados. Por el contrario, los dispositivos WBG más caros de la actualidad están destinados principalmente a aplicaciones avanzadas en las que el rendimiento es un factor crítico. Sin embargo, como mostraremos más adelante, el costo de GaN se reducirá, lo que permitirá un uso generalizado de la tecnología WBG.
- Disponibilidad: Este es un factor clave en el mundo de los semiconductores. La implementación de nuevas tecnologías solo puede extenderse cuando los dispositivos están disponibles y los suministros están asegurados.
- Confiabilidad: Esto incluye todas las demás consideraciones. Aplica para garantías de desempeño del producto, sustentabilidad comercial y disponibilidad. Todos estos elementos deben ser fiables.
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