อนาคตของเซมิคอนดักเตอร์พลังงานสูง: กุญแจสู่สังคมปลอดคาร์บอน

อัปเดตล่าสุด 5 พ.ค. 2568

มองอนาคตกับ NEDO เซมิคอนดักเตอร์พลังงานประสิทธิภาพสูง กุญแจสำคัญสู่สังคมไร้คาร์บอน

ในบทวิเคราะห์โดย NEDO (องค์การพัฒนาเทคโนโลยีแห่งใหม่ของญี่ปุ่น) ได้ชี้ให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของเซมิคอนดักเตอร์พลังงานสูง (Power Semiconductors) ในการขับเคลื่อนสังคมสู่ความเป็นกลางทางคาร์บอน พร้อมทั้งระบุว่าเทคโนโลยีใหม่อย่าง Silicon Carbide (SiC) และ Gallium Nitride (GaN) กำลังกลายเป็นกุญแจสำคัญสู่อนาคตพลังงานสะอาด

ในยุคที่เทคโนโลยีเข้ามามีบทบาทในทุกภาคส่วนของสังคม เซมิคอนดักเตอร์ หรือสารกึ่งตัวนำ ถือเป็นหัวใจสำคัญในหลากหลายอุตสาหกรรม โดยเฉพาะ เซมิคอนดักเตอร์พลังงาน ซึ่งเป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าระดับสูง กำลังกลายเป็นกุญแจสำคัญในการขับเคลื่อนโลกไปสู่ ความเป็นกลางทางคาร์บอน (Carbon Neutrality) แม้จะยังคงมีความท้าทายทางเทคโนโลยีรออยู่มากมาย

Advertisement

เซมิคอนดักเตอร์พลังงานคืออะไร?

เซมิคอนดักเตอร์พลังงานทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่เปิด-ปิดวงจรไฟฟ้าด้วยความเร็วสูง โดยรองรับแรงดันไฟฟ้าหลายร้อยถึงหลายพันโวลต์ และกระแสไฟฟ้าระดับหลายสิบจนถึงหลายพันแอมแปร์ ถือเป็นหัวใจของ Power Electronics ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ช่วยแปลงและควบคุมพลังงานไฟฟ้า

การใช้งานครอบคลุมถึง:

การชาร์จและจ่ายพลังงานจากแบตเตอรี่
เตาเหนี่ยวนำ (IH)
มอเตอร์ในรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด
ระบบรถไฟฟ้า
แหล่งจ่ายไฟของเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายประเภท

ความต้องการนวัตกรรมที่สูงขึ้น

การเติบโตของ พลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและแสงอาทิตย์ รวมถึงการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานไฟฟ้าในหลากหลายระบบ ได้สร้างความต้องการใหม่ในเรื่อง ประสิทธิภาพการแปลงและควบคุมพลังงาน ซึ่งทำให้เซมิคอนดักเตอร์พลังงานต้องได้รับการพัฒนาให้ดียิ่งขึ้น

SiC และ GaN: วัสดุแห่งอนาคต

วัสดุอย่าง ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะทางเลือกที่ดีกว่าซิลิกอน (Si) เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพที่เหนือกว่า ได้แก่:

แบนด์แกปกว้างกว่า
ทนแรงดันไฟฟ้าได้สูงกว่า
ใช้งานที่อุณหภูมิสูงได้
ความสูญเสียพลังงานต่ำมาก

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ SiC และ GaN เป็นวัสดุที่เหมาะสมกับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พลังงานประสิทธิภาพสูงในอนาคต

ความท้าทายที่มากกว่าแค่วัสดุ

แม้ว่าวัสดุจะมีคุณสมบัติดีเพียงใด แต่การจะสร้างวงจรไฟฟ้าที่รองรับแรงดันและกระแสสูงได้อย่างมั่นคง ยังต้องอาศัยเทคโนโลยีประกอบที่พัฒนาอย่างรอบด้าน

ปัญหาสำคัญที่ยังต้องพัฒนา:

เทคนิคการโด๊ป (Doping): ต้องพัฒนาให้สามารถเติมสารเจือปนแบบ p-type และ n-type ได้อย่างแม่นยำโดยไม่ทำให้วัสดุเสียหาย
เทคโนโลยีการประกอบและบรรจุภัณฑ์: ต้องออกแบบให้รองรับคุณสมบัติใหม่ เช่น ความทนแรงดัน ความเร็วการทำงาน และอุณหภูมิสูง
วงจรขับ (Drive Circuits): หากวงจรขับไม่สามารถรองรับประสิทธิภาพของสวิตช์ได้เต็มที่ ก็จะไม่สามารถแสดงศักยภาพของวัสดุใหม่ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ

ต้องการความร่วมมือจากหลากหลายอุตสาหกรรม

การยกระดับเทคโนโลยีไม่ใช่แค่ในวงการเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น แต่ต้องอาศัยความร่วมมือจาก หลากหลายภาคอุตสาหกรรม เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีโดยรอบ เช่น วัสดุบรรจุภัณฑ์ วงจรควบคุม และการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

โครงการก่อนหน้านี้ที่ดำเนินการโดย NEDO และหน่วยงานอื่น ๆ ได้แสดงให้เห็นถึงปัญหาที่เกิดจากการขาดเทคโนโลยีสนับสนุน และตอกย้ำถึงความสำคัญของการพัฒนาร่วมกันในทุกภาคส่วน

เวลาสำคัญในอีก 10–15 ปีข้างหน้า

หากต้องการบรรลุเป้าหมาย สังคมไร้คาร์บอนภายในปี 2050 อุปกรณ์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์พลังงานประสิทธิภาพสูงต้องถูกนำไปใช้ในวงกว้างทั่วสังคม ซึ่งต้องใช้เวลาในการปรับตัวและผลิตในปริมาณมาก ดังนั้น 10–15 ปีจากนี้จะเป็นช่วงเวลาสำคัญ สำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูง