Le nitrure de gallium et le carbure de silicium se battent pour la domination des technologies vertes

Aug 10, 2023

Quel que soit le vainqueur, ils réduiront les émissions de gaz à effet de serre de plusieurs milliards de tonnes.

Les plaquettes semi-conductrices en nitrure de gallium reflètent bien l'auteur Umesh Mishra.

Les semi-conducteurs avancés peuvent-ils réduire suffisamment les émissions de gaz à effet de serre pour faire une différence dans la lutte contre le changement climatique ? La réponse est un oui retentissant. Un tel changement est en fait en bonne voie.

À partir de 2001 environ, le composé semi-conducteur nitrure de gallium a fomenté une révolution dans l’éclairage qui a été, à certains égards, le changement technologique le plus rapide de l’histoire de l’humanité. En seulement vingt ans, la part du marché mondial de l'éclairage détenue par les diodes électroluminescentes à base de nitrure de gallium est passée de zéro à plus de 50 %, selon une étude de l'Agence internationale de l'énergie. La société de recherche Mordor Intelligence a récemment prédit que, dans le monde entier, l'éclairage LED permettra de réduire de 30 à 40 % la consommation d'électricité utilisée pour l'éclairage au cours des sept prochaines années. À l'échelle mondiale, l'éclairage représente environ 20 pour cent de la consommation d'électricité et 6 pour cent des émissions de dioxyde de carbone, selon le Programme des Nations Unies pour l'environnement.

Chaque tranche contient des centaines de transistors de puissance de pointePeter Adams

Cette révolution est loin d’être terminée. En effet, il est sur le point de passer à un niveau supérieur. La technologie des semi-conducteurs qui a transformé l’industrie de l’éclairage, le nitrure de gallium (GaN), fait également partie d’une révolution dans l’électronique de puissance qui prend désormais de l’ampleur. Il s’agit de l’un des deux semi-conducteurs – l’autre étant le carbure de silicium (SiC) – qui ont commencé à remplacer l’électronique à base de silicium dans des catégories énormes et vitales de l’électronique de puissance.

Les dispositifs GaN et SiC fonctionnent mieux et sont plus efficaces que les composants en silicium qu'ils remplacent. Il existe des milliards de ces appareils dans le monde, et nombre d’entre eux fonctionnent pendant des heures chaque jour. Les économies d’énergie seront donc substantielles. L'essor de l'électronique de puissance GaN et SiC aura à terme un impact positif plus important sur le climat de la planète que le remplacement de l'éclairage à incandescence et autres éclairages traditionnels par des LED GaN.

Pratiquement partout où le courant alternatif doit être transformé en courant continu ou vice versa, il y aura moins de watts gaspillés. Cette conversion se produit dans le chargeur mural de votre téléphone ou ordinateur portable, dans les chargeurs et onduleurs beaucoup plus gros qui alimentent les véhicules électriques, et ailleurs. Et des économies similaires seront réalisées à mesure que d’autres bastions du silicium tomberont également aux mains des nouveaux semi-conducteurs. Les amplificateurs de stations de base sans fil font partie des applications croissantes pour lesquelles ces semi-conducteurs émergents sont clairement supérieurs. Dans les efforts visant à atténuer le changement climatique, l’élimination du gaspillage dans la consommation d’énergie est la solution la plus facile à trouver, et ces semi-conducteurs sont notre moyen de les récolter.

Il s’agit d’un nouvel exemple d’un schéma familier dans l’histoire de la technologie : deux innovations concurrentes se concrétisant en même temps. Comment tout cela va-t-il se dérouler ? Dans quelles applications le SiC dominera-t-il et dans lesquelles le GaN prévaudra-t-il ? Un examen attentif des forces relatives de ces deux semi-conducteurs nous donne des indices solides.

Avant d’aborder les semi-conducteurs eux-mêmes, voyons d’abord pourquoi nous en avons besoin. Pour commencer : la conversion d’énergie est partout. Et cela va bien au-delà des petits chargeurs muraux qui alimentent nos smartphones, tablettes, ordinateurs portables et d’innombrables autres gadgets.

La conversion d'énergie est le processus qui transforme l'électricité de la forme disponible à la forme requise pour qu'un produit remplisse sa fonction. Une certaine énergie est toujours perdue lors de cette conversion, et comme certains de ces produits fonctionnent en continu, les économies d'énergie peuvent être énormes. Considérez : la consommation d’électricité dans l’État de Californie est restée essentiellement stable depuis 1980, alors même que la production économique de l’État est montée en flèche. L’une des principales raisons pour lesquelles la demande est restée stable est que l’efficacité des réfrigérateurs et des climatiseurs a énormément augmenté au cours de cette période. Le facteur le plus important de cette amélioration a été l'utilisation de variateurs de vitesse basés sur le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) et d'autres composants électroniques de puissance, qui ont considérablement augmenté l'efficacité.