Crossroads
Από το διάστημα στο αυτοκίνητο!Είναι αρκετές οι φορές που η τεχνολογία αιχμής έχει μεταφερθεί στα αυτοκίνητα από τρίτους ακόμα πιο προηγμένους τομείς, όπως είναι η αεροπορική και η διαστημική βιομηχανία. Τα εξωτικά υλικά (ανθρακονήματα, κεραμικά υλικά, μαγνήσιο κ.ά.), η σημασία της αεροδυναμικής, τα συστήματα drive-by-wire, οι ενεργειακές κυψέλες και το υδρογόνο ως καύσιμο είναι μόνο μερικά παραδείγματα. Mπροστά σ’ αυτά ένας ημιαγωγός από ανθρακούχο πυρίτιο ίσως να φαντάζει πολύ ταπεινός, όμως είναι εξίσου σημαντικός με άλλες εφευρέσεις τόσο για την αεροδιαστημική όσο και για την αυτοκινητοβιομηχανία.
Τι προσφέρει, λοιπόν, ο νέος ημιαγωγός; Αρκετά περισσότερα απ’ ό,τι ένα κοινό τσιπάκι, και μάλιστα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 600° C! Το ανθρακούχο πυρίτιο (SiC) είναι κεραμική ένωση πυριτίου και άνθρακα συνθετικά κατασκευασμένη, αφού απαντάται εξαιρετικά σπάνια στη φύση (πρωτοανακαλύφθηκε το 1893 ως συστατικό του φυσικού μοϊσανίτη σε μετεωρίτη που βρέθηκε στην Αριζόνα), και χρησιμοποιείται έως σήμερα σε διάφορες εφαρμογές: στη βιομηχανία σιδήρου, στην κατασκευή αλεξίσφαιρων γιλέκων, στην παραγωγή συνθετικών διαμαντιών, ακόμα και ως υλικό συμπλεκτών και κεραμικών δισκοφρένων στην αυτοκινητοβιομηχανία. Φυσικά, ιδιαίτερα στις τελευταίες δύο περιπτώσεις, η ικανότητά του να αντέχει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες είναι ένα από τα σημαντικότερα προσόντα του. Ωστόσο, με τη χρήση του ως ημιαγωγού μπορούν να αξιοποιηθούν και άλλες ιδιότητές του, όπως είναι η μεγάλη απόδοσή του και η σταθερή συμπεριφορά του σε μαγνητικά πεδία και υψηλές τάσεις, και, συνεπώς, να επεκταθεί εντυπωσιακά το πεδίο των πιθανών εφαρμογών του.
Αν και η πρώτη ηλεκτρική φωτοδίοδος (LED) από SiC κατασκευάστηκε το 1907, το ενδιαφέρον για το εν λόγω υλικό άρχισε να φθίνει έπειτα από την καθιέρωση των ημιαγωγών πυριτίου. Η έρευνα και η εξέλιξη, πάντως, συνεχίστηκε, κυρίως στην πρώην Σοβιετική Ένωση και από το 1962 στα εργαστήρια της NASA (ως είθισται με τη συμβολή πανεπιστημίων και συμβεβλημένων εταιρειών υψηλής τεχνολογίας), και πέρασε από πολλά στάδια μέχρι να επιτευχθεί η πρώτη λογική λειτουργία τρανζίστορ SiC σε θερμοκρασία 600° C το 1996 και η σταθερή λειτουργία του για 1.000 ώρες στην ίδια θερμοκρασία τέσσερα χρόνια αργότερα - σήμερα έχουμε φτάσει τις 1.700 ώρες.
Γνωρίζοντας τα όρια και τους περιορισμούς των συμβατικών τρανζίστορ πυριτίου, πιο πρόσφατα το «νέο» υλικό κέντρισε το ενδιαφέρον αυτοκινητοβιομηχανιών και πανεπιστημίων. Μπορούμε, πλέον, να ισχυριζόμαστε με βεβαιότητα πως η εξέλιξη συντελείται σε τρεις ηπείρους, με Αμερικανούς, Ευρωπαίους και Ιάπωνες να ανταγωνίζονται ως προς την επίτευξη του τελικού στόχου, με την Denso να υποστηρίζει ότι έχει ήδη κατασκευάσει κύκλωμα MOSFET με SiC, αναγγέλλοντας παράλληλα τη διάθεση αναστροφέων φάσης έως το 2010, και με τη Nissan, σε συνεργασία με τη SemiSouth Laboratories, να αναμένεται να παρουσιάσει -όπως η ίδια λέει- αυτοκινητικό τσιπάκι SiC το 2011.
Ωστόσο, οι πιο ενδιαφέρουσες αυτοκινητικές εφαρμογές των τρανζίστορ ανθρακούχου πυριτίου είναι και οι πιο δύσκολες σε υλοποίηση. Για παράδειγμα, η ανθεκτικότητά τους σε υψηλές θερμοκρασίες θα μπορούσε να οδηγήσει στην εξέλιξη μιας μονάδας αισθητήρα-τσιπ ενσωματωμένης στο θάλαμο καύσης ενός κινητήρα! Ήδη υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την εξέλιξη τέτοιων αισθητήρων μέτρησης υδρογόνου· το SiC είναι «ευαίσθητο» στο υδρογόνο με τη χρήση μιας διόδου Schottky, η οποία σχηματίζεται από την επαφή ενός μετάλλου κι ενός ημιαγωγού. Το μέταλλο στην προκειμένη περίπτωση είναι λευκόχρυσος και με τη βοήθειά του τα μόρια του αερίου διασπώνται σε ατομικό υδρογόνο, προκαλώντας μια μετρήσιμη πτώση τάσης μεταξύ μετάλλου και ημιαγωγού.
Ρίχνοντας μια απλή ματιά στις θερμοκρασίες που επικρατούν σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης εν ώρα λειτουργίας (περίπου 140° C στο μπλοκ, 150° C στο δυναμό, 120-130° C στις γύρω του κινητήρα περιοχές, 150° C στο λάδι και στις βαλβολίνες και 600° C στο σύστημα εξαγωγής), αντιλαμβανόμαστε ότι οι εν λόγω μονάδες αισθητήρα-SiC μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε, μειώνοντας τον όγκο των καλωδιώσεων και επαφών και αυξάνοντας την αξιοπιστία. Πρώτες εκτιμήσεις κάνουν λόγο για ενσωμάτωσή τους κυρίως σε καταλύτες, με αποστολή την καταγραφή της σύστασης των καυσαερίων με μεγάλη ακρίβεια, γεγονός που θα οδηγήσει και σε καλύτερο έλεγχο της σύστασης μίγματος/καύσης και, κατά συνέπεια, σε καθαρότερους κινητήρες.
Ας μην ξεχνάμε πως η ακρίβεια των αποτελεσμάτων πάντα εξαρτάται από την ακρίβεια των αρχικών δεδομένων!
Μοναδικό εμπόδιο στην περίπτωση της αυτοκινητοβιομηχανίας αποτελεί το κόστος, ακόμα κι αν υποθέσουμε ότι καθίσταται εφικτή η μαζική παραγωγή.
Aντίθετα, κάτι τέτοιο δεν ισχύει σε πολύ πιο hi-tech εφαρμογές, όπως τις διαστημικές. Εδώ, το κόστος κατασκευής μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο μπροστά σ’ αυτό της εκτόξευσης, της συντήρησης και της αξιοπιστίας, αφού τα SiC είναι σε θέση να εξασφαλίσουν κάποια μοναδικά στοιχεία: τον περιορισμό του βάρους οχημάτων, δορυφόρων, διαστημικών σκαφών (καθώς δε θα απαιτούνται πλέον πολύπλοκες μονάδες ψύξης) αλλά και την αξιοπιστία σε ιδιαίτερα εχθρικό περιβάλλον. Με τα SiC απλώς γίνονται εφικτές η εξερεύνηση της ατμόσφαιρας της Αφροδίτης των 450° C και η αποστολή διαστημικών σκαφών πλησίον του Ήλιου.
Aκόμα μια πολύ σημαντική εφαρμογή βρίσκεται στα ηλεκτρικά δίκτυα. Είναι γνωστό πως σήμερα είναι αναγκαία η παραγωγή πλεονάσματος ρεύματος (περίπου 20%), που διασφαλίζει τη σταθερότητα του συστήματος απέναντι σε αλλαγές φορτίου και αστοχία διάφορων τμημάτων του. Με τα SiC το δίκτυο γίνεται τόσο σταθερό και αποδοτικό (εξαιτίας της ταχύτητας και του βαθμού της απόδοσης των νέων ημιαγωγών), ώστε να μειώνεται δραστικά η ανάγκη αποθεμάτων ενέργειας. Πόσο σημαντικό είναι αυτό; Μια μείωση της τάξης του 5% στο πλεόνασμα ενέργειας θα εξοικονομούσε μόνο στις ΗΠΑ 50 δισ. δολάρια για κατασκευή νέων εργοστασίων παραγωγής ενέργειας κατά τα επόμενα 25 χρόνια. Τέλος, στον τομέα των επικοινωνιών και των ραντάρ, όπου ως επί το πλείστον χρησιμοποιούνται σήμερα τρανζίστορ μικροκυμάτων αρσενιούχου γαλλίου, η ικανότητα λειτουργίας των SiC με μεγαλύτερα ποσά ενέργειας και υψηλότερες θερμοκρασίες αναμένεται να αποτελέσει την αφορμή της υιοθέτησής τους σε επίγειες βάσεις κινητής τηλεφωνίας και συστήματα ραντάρ και εκπομπής τηλεοπτικού σήματος υψηλής ευκρίνειας (HDTV)._ Ν. Κ.