الصين فرض قيود على الصادرات – أخبار إلكترونيات الطاقة

في 3 يوليو ، أعلنت وزارة التجارة الصينية أنه سيتم فرض ضوابط على الصادرات على مادتين نادرتين ، وهما الغاليوم (Ga) والجرمانيوم (Ge) ، وهما ضروريان لتصنيع رقائق أشباه الموصلات. ربما يكون القرار قد تم اتخاذه كرد انتقامي واضح بعد أن قامت الولايات المتحدة وأوروبا بتقييد صادرات الرقائق إلى الصين. ستخضع Ga و Ge لقيود التصدير اعتبارًا من 1 أغسطس. وهذا يعني أن مصدري هذه المواد الخام يجب أن يطلبوا تفويضًا خاصًا من الدولة لإرسالها إلى خارج الدولة.

فرض قانون CHIPS والعلوم الأمريكية لعام 2022 قيودًا على صادرات الرقائق الدقيقة والتكنولوجيا المتطورة إلى الصين ، مع تداعيات محتملة على قدرات بكين في القطاعات المتعلقة بالدفاع والتي تعتمد على الحسابات عالية الأداء. بالإضافة إلى ذلك ، فرضت دول أخرى مثل اليابان وهولندا قيودًا على صادرات أشباه الموصلات.

يشير اعتماد قانون الرقائق الأوروبية إلى التزام الاتحاد الأوروبي بمعالجة تحديات سلسلة توريد أشباه الموصلات وتقليل الاعتماد على المصادر الأجنبية لهذه المكونات الحيوية. من خلال دعم المبادرات التي تعزز الإنتاج المحلي للرقائق وجذب الاستثمارات في هذا القطاع ، يهدف الاتحاد الأوروبي إلى تحسين اعتماده على الذات التكنولوجي وقدرته التنافسية في صناعة أشباه الموصلات.

لماذا يعتبر Ga و Ge مناسبين للإلكترونيات؟

السيليكون هو أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في التطبيقات الإلكترونية اليوم. هذه المواد متاحة على نطاق واسع ، رخيصة نسبيًا وسهلة الإنتاج. من ناحية أخرى ، فإن Ga و Ge لهما خصائص يصعب تقليدها وتناسب استخدامات متخصصة معينة بسبب هذا. يتم دمجها في العديد من المنتجات ، بما في ذلك الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والألواح الشمسية والمعدات الطبية والعديد من أنواع الأسلحة واستخدامات أخرى.

يتم استخدام معظم الغاليوم (الشكل 1) لإنتاج زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، المستخدم في أشباه الموصلات ذات الأداء العالي واستهلاك أقل للطاقة من السيليكون. يتم استخدامها في مصابيح LED باللونين الأزرق والبنفسجي وأجهزة التردد اللاسلكي (RF) مثل مضخمات الطاقة ونهايات RF الأمامية والهوائيات.

في إلكترونيات الطاقة والإلكترونيات الضوئية ، يعد الغاليوم أساسًا للحصول على نيتريد الغاليوم (GaN) ، وهو مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق عريض تتمتع بخصائص ممتازة تجعلها ذات قيمة في مختلف التطبيقات الإلكترونية ، وخاصة الطاقة.

فيما يلي بعض الأسباب التي تجعل الجاليوم مهمًا:

• كثافة الطاقة العالية: يمكن لأجهزة GaN التعامل مع الفولتية والتيارات الأعلى من الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون. تسمح هذه الخاصية بتطوير أنظمة إلكترونية للطاقة أكثر إحكاما وفعالية.
• تردد التحويل العالي: نظرًا لقابليته العالية للتنقل الإلكتروني ، يتمتع GaN بقدرات تحويل أسرع ، مما يتيح تشغيلًا بتردد أعلى. وهذا بدوره يقلل من الخسائر ويزيد من الكفاءة.
• كفاءة الطاقة: تتمتع أجهزة GaN بخسائر أقل في التوصيل والتبديل ، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الطاقة. يمكن أن يُترجم تحسين الكفاءة هذا إلى تقليل استهلاك الطاقة وزيادة عمر البطارية في التطبيقات المختلفة.

قدر الباحثون الجرمانيوم في الأيام الأولى للترانزستورات بسبب الإلكترون الفائق وحركة الثقب. ومع ذلك ، نظرًا لبعض القيود المفروضة على ترانزستورات الجرمانيوم مقارنةً بالسيليكون ، مثل الكسب الأقل ، والاستجابة المحدودة للتردد والاعتماد على تقلبات درجة الحرارة والجهد ، فإن الجرمانيوم لا يستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الحديثة كما كان في الماضي.

لا يزال الجرمانيوم يحمل بعض الأهمية ، لا سيما في المجالات التالية:

• الإلكترونيات الضوئية: يحتوي الجرمانيوم على فجوة نطاق ضيقة ، مما يجعله مفيدًا لكاشفات الأشعة تحت الحمراء (IR) والأجهزة الكهروضوئية. يمكنه امتصاص واكتشاف الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء ، مما يجعله ذا قيمة للتطبيقات مثل أجهزة الرؤية الليلية والاتصالات.
• عنصر السبائك: يصنع الجرمانيوم ترانزستورات ثنائية القطب غير متجانسة (HBTs) وترانزستورات ذات تأثير ميداني (FETs). تجد هذه الأجهزة تطبيقات في الدوائر عالية السرعة وعالية التردد.
• يتفوق الجرمانيوم على السيليكون في قدرته على تحمل الآثار الضارة للإشعاع الكوني ، مما يجعله مادة مثالية للاستخدام في تكنولوجيا الفضاء مثل الخلايا الشمسية.

أين يتم إنتاج Ga و Ge؟

لا يُستخرج الغاليوم عادةً من رواسب الخام الأولية ولكن غالبًا ما يتم العثور عليه كمنتج ثانوي لتعدين الألومنيوم والزنك. تشمل المصادر الأولية للغاليوم:

• الصين: الصين هي أكبر منتج للغاليوم ، ويرجع ذلك أساسًا إلى إنتاجها الكبير من الألمنيوم والزنك. وفقًا لتحالف المواد الخام الحرجة (CRM Alliance) ، وهي منظمة تم إنشاؤها للترويج لأهمية CRM في الاقتصاد الأوروبي ، تمثل الصين حوالي 80 ٪ من العرض العالمي ، وتستمده بشكل أساسي من إنتاج الألمنيوم.
• روسيا: روسيا هي منتج رئيسي آخر للغاليوم ، مرة أخرى بسبب عمليات تعدين الألمنيوم والزنك الكبيرة.
• الولايات المتحدة: تنتج الولايات المتحدة أيضًا الغاليوم ، بشكل أساسي كمنتج ثانوي لمعالجة الألمنيوم. بلدان أخرى مثل أستراليا وكندا وكازاخستان لديها أيضًا إنتاج الغاليوم ، وإن كان ذلك على نطاقات أصغر.

وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن أيضًا الحصول على الغاليوم عن طريق إعادة تدوير رقائق أشباه الموصلات الناتجة عن عملية تصنيع أشباه الموصلات (الشكل 2). ومع ذلك ، بمجرد أن يتم دمج أشباه الموصلات في الأجهزة ، تصبح كميات الغاليوم الموجودة في كل عنصر دقيقة جدًا بحيث تصبح إعادة تدويرها صعبة للغاية.

يتم الحصول على الجرمانيوم في المقام الأول كمنتج ثانوي لمعالجة خام الزنك. تشمل المصادر الأساسية للجرمانيوم ما يلي:

• الصين: الصين هي أكبر منتج للجرمانيوم ، ويرجع ذلك أساسًا إلى إنتاجها الكبير من الزنك. وفقًا لتحالف CRM ، تسيطر الصين على حوالي 60 ٪ من جميع إمدادات الجرمانيوم.
• روسيا: تعتبر روسيا منتجًا مهمًا آخر للجرمانيوم بسبب عمليات تعدين الزنك.
• الولايات المتحدة: تنتج الولايات المتحدة أيضًا الجرمانيوم ، بشكل أساسي كمنتج ثانوي لتكرير الزنك ، مع وجود رواسب في ألاسكا وتينيسي. بلدان أخرى مثل كندا وبلجيكا وكازاخستان لديها أيضًا إنتاج الجرمانيوم ، لكنه أصغر نسبيًا من حيث الحجم.

المخاطر المحتملة على التحول الأخضر

نظرًا لأن الصين منتج رئيسي لـ Ga و Ge ، فإن قيود التصدير الخاصة بها يمكن أن تعطل سلسلة التوريد العالمية لهذه المواد. إلى جانب التسبب في نقص وزيادة الأسعار ، يمكن أن يؤثر هذا الاضطراب على توافر المكونات والأجهزة التي تعتمد على Ga و Ge. يمكن أن تواجه إلكترونيات الطاقة وأنظمة الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية والإضاءة الموفرة للطاقة تحديات في تلبية الطلب ، على الرغم من أن شركات أشباه الموصلات كانت تقلل من آثار القيود.

على المدى القصير ، من المعتقد على نطاق واسع أن القيود التي تفرضها الصين على صادرات Ga و Ge ستؤثر على سعر هذه المواد على الفور تقريبًا. سيكون من الصعب على الشركات والمؤسسات الغربية شراء Ga و Ge ، مما يؤدي إلى ارتفاع الأسعار وفترات زمنية أطول.

قد يجعل هذا الأمر أكثر صعوبة وتكلفة بالنسبة للشركات الغربية لتطوير المنتجات الكهربائية (خاصة المنتجات الأكثر تقدمًا ، مثل المركبات الكهربائية) ، مما يؤدي إلى زيادة الأسعار للمستخدمين النهائيين.

من الصعب التنبؤ بالتأثير على قطاع الإلكترونيات على المدى الطويل. في حين أن مخزونات الجرمانيوم كافية في العديد من البلدان ، مثل الولايات المتحدة ، لا يمكن قول الشيء نفسه بالنسبة للغاليوم.

ما يمكن افتراضه هو أن الشركات والحكومات الغربية ستتخذ خطوات لتنويع المعروض من هذه المواد. بالإضافة إلى البحث عن قنوات إمداد جديدة ، من المرجح أن تبذل الجهود لتعزيز الإنتاج المحلي من Ga و Ge.

ومع ذلك ، فإن العناصر المعدنية الخام تحتاج إلى التخليق الكيميائي والتنقية بعد تعدينها في الصين. لا تزال تقنيات التكرير المتطورة هذه في قبضة الشركات العملاقة متعددة الجنسيات من الولايات المتحدة واليابان وأوروبا. يجب تصدير مواد التنقية من مصادر المواد الخام في الصين قبل إعادة استيرادها للاستخدام المحلي. ومع ذلك ، إذا استمرت الصين في فرض اللوائح وتطوير تقنيات التنقية والتوليف المتطورة ، فقد يكون لها تأثير كبير في النهاية على الشركات غير الصينية.

قد تدفع القيود المفروضة على Ga و Ge الباحثين وأصحاب المصلحة في الصناعة لاستكشاف مواد بديلة ذات خصائص مماثلة. يمكن أن يؤدي هذا الاستكشاف إلى اكتشاف وتطوير مواد جديدة أو تحسين المواد الموجودة.

مثال على هذه المادة هو أكسيد الغاليوم (Ga₂ا₃) ، وهو عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة نطاق عريضة ذات خصائص كهربائية ممتازة. يمكن استخدامه في إلكترونيات الطاقة والأجهزة عالية التردد. جا₂ا₃ يتم بحثها بنشاط ويظهر أنها واعدة كبديل قابل للتطبيق لـ GaN والمواد الأخرى ذات فجوة الحزمة العريضة.

أكسيد الزنك (ZnO) هو أحد أشباه الموصلات واسعة النطاق الأخرى التي تم فحصها لتطبيقات إلكترونية مختلفة ، بما في ذلك الإلكترونيات الضوئية والإلكترونيات الشفافة والتنقل الإلكتروني.

من المهم ملاحظة أن ملاءمة هذه المواد البديلة واعتمادها تعتمد على عوامل مختلفة ، بما في ذلك الأداء وقابلية التوسع والموثوقية والفعالية من حيث التكلفة. تركز جهود البحث والتطوير المستمرة على تحسين هذه المواد واستكشاف إمكاناتها في التطبيقات الإلكترونية المختلفة.