บริษัท พลัง เพชร ระบบ (พีดีเอส) สตาร์ทอัพสัญชาติญี่ปุ่นที่ถือกำเนิดจากมหาวิทยาลัยวาเซดะ กำลังก้าวขึ้นมาเป็นผู้นำด้านการผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้ารุ่นใหม่โดยใช้เพชรสังเคราะห์อย่างรวดเร็ว ในงาน เซมิคอนดักเตอร์ ญี่ปุ่น 2025 บริษัทได้แสดงศักยภาพอย่างโดดเด่นด้วยการเปิดตัว มอสเฟต (ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์) กำลังไฟฟ้าที่ใช้เพชรเป็นส่วนประกอบ ซึ่งออกแบบมาสำหรับงานแรงดันสูงและอุณหภูมิสูง ที่สำคัญ พีดีเอส ได้สาธิตเทคโนโลยีนี้ในระบบประเมินผลแบบบูรณาการ โดยตรวจสอบการทำงานที่ประสบความสำเร็จของอุปกรณ์ที่บรรจุแล้ว ซึ่งนับเป็นการตรวจสอบประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์เพชรที่บรรจุแล้วเป็นครั้งแรกในที่สาธารณะ
มอสเฟต กำลังสูงที่ทำจากเพชรเหล่านี้ได้รับการออกแบบอย่างพิถีพิถันเพื่อให้ทนต่อแรงดันไฟฟ้าหลายร้อยโวลต์ แสดงให้เห็นถึงความทนทานและประสิทธิภาพที่เหนือกว่าผลิตภัณฑ์ที่เทียบเคียงได้จากซิลิคอน (ซี) และแม้แต่ซิลิคอนคาร์ไบด์ (ซีซี) พีดีเอส คาดการณ์ว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะถูกนำไปใช้ในด้านต่างๆ เช่น รถยนต์ไฟฟ้า (อีวี) แพลตฟอร์มด้านอวกาศ และดาวเทียมสื่อสาร ซึ่งมีความท้าทายด้านการออกแบบอย่างมากเกี่ยวกับความเครียดจากความร้อน รังสี และความหนาแน่นของพลังงาน แม้ว่าเทคโนโลยีจะยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนา แต่บริษัทวางแผนที่จะร่วมมือกับพันธมิตรในอุตสาหกรรมที่มีศักยภาพเพื่อให้บรรลุการจำหน่ายเชิงพาณิชย์ภายในปี 2030
ความทะเยอทะยานของ พีดีเอส นั้นกว้างไกลเกินกว่าตลาดภายในประเทศ ในเดือนกรกฎาคม 2025 บริษัทสตาร์ทอัพแห่งนี้ได้ประกาศความร่วมมือด้านการวิจัยกับองค์การสำรวจอวกาศแห่งญี่ปุ่น (แจ็กซ่า) เพื่อทดสอบ มอสเฟต พลังงานเพชรในสภาพแวดล้อมอวกาศจริง ความร่วมมือนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อตรวจสอบความทนทานของอุปกรณ์เหล่านี้ภายใต้สภาวะการแผ่รังสีที่รุนแรง สุญญากาศ และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นเรื่องปกติในการปฏิบัติงานบนดาวเคราะห์และดาวเทียม การทดสอบประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือบนพื้นดินมีกำหนดจะเริ่มในปีงบประมาณ 2025 (เมษายน 2025 ถึงมีนาคม 2026) ในขั้นตอนนี้จะประเมินเสถียรภาพทางกลและอิเล็กทรอนิกส์ของอุปกรณ์ก่อนที่จะส่งชิ้นส่วนไปยังแพลตฟอร์มทดสอบในวงโคจรหรือภารกิจในอวกาศห้วงลึก
เพชรเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับสารกึ่งตัวนำที่มีข้อดีมากมาย มันมีค่าการนำความร้อนสูงที่สุดในบรรดาของแข็งทั้งหมด ทนต่อรังสีได้ดีเยี่ยม และมีช่องว่างแถบพลังงานกว้าง ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับงานที่ใช้แรงดันไฟฟ้าสูง คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้เพชรสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์ (ซีซี) หรือแกลเลียมไนไตรด์ (กาเอ็น) ซึ่งอาจเป็นการกำหนดนิยามใหม่ของอิเล็กทรอนิกส์กำลังในอนาคตสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และยานยนต์ไฟฟ้าสมรรถสูง
จนถึงปัจจุบัน ต้นแบบของ พีดีเอส ประสบความสำเร็จในการสร้างความหนาแน่นของพลังงานในระดับที่ทำลายสถิติ ทำให้บริษัทอยู่ในแถวหน้าของนวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่าการผลิตจำนวนมากจะยังต้องใช้เวลาอีกหลายปี แต่ พีดีเอส ก็พร้อมที่จะก้าวขึ้นเป็นผู้นำด้านเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงพิเศษในทศวรรษหน้า ด้วยข้อได้เปรียบทางกายภาพของเพชร การออกแบบอุปกรณ์แบบบูรณาการในแนวดิ่ง และความร่วมมือกับสถาบันต่างๆ
สารกึ่งตัวนำไฟฟ้าที่ใช้เพชรเป็นส่วนประกอบ เช่นที่ผลิตโดย พีดีเอส อาจส่งผลกระทบต่อระบบไฟ นำ แต่ผลกระทบนี้ส่วนใหญ่เป็นผลกระทบทางอ้อมและเกิดขึ้นในระดับระบบ ผลกระทบที่สำคัญที่สุดอยู่ที่การจัดการความร้อน ประสิทธิภาพของไดรเวอร์ ความน่าเชื่อถือ และการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ต้องการประสิทธิภาพสูงบางประเภท
ประสิทธิภาพและการย่อส่วนในระดับระบบ
มอสเฟต กำลังสูงแบบเพชรสามารถสลับแรงดันไฟฟ้าสูงได้โดยมีการสูญเสียต่ำ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลง เอซี-ดีซี และ ดีซี-ดีซี ของวงจรขับสำหรับโคมไฟ นำ กำลังสูง เช่น ไฟถนน ไฟสนามกีฬา และไฟสวน
ประสิทธิภาพการทำงานของไดร์เวอร์ที่เพิ่มขึ้นหมายถึงความร้อนที่สูญเสียลดลง ทำให้สามารถใช้ฮีทซิงค์ขนาดเล็กกว่า ออกแบบโคมไฟให้มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น หรือให้ความสว่างต่อโคมไฟสูงขึ้นภายในงบประมาณด้านพลังงานที่กำหนดไว้
การจัดการความร้อนและอายุการใช้งาน
คุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมของเพชร ทำให้เพชรมีคุณค่าไม่เพียงแต่ในฐานะสารกึ่งตัวนำที่ใช้งานได้จริงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงในฐานะวัสดุระบายความร้อนในโมดูล นำ และแผงวงจรควบคุมอีกด้วย
การใช้แผ่นรองพื้นหรือแผ่นวงจรที่ทำจากเพชรใน นำ กำลังสูงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าช่วยยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนได้อย่างมาก เนื่องจากช่วยลดอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อ ซึ่งเป็นกลไกสำคัญที่ทำให้เกิดความเสียหายในระบบ นำ กำลังสูง
สภาพแวดล้อมที่รุนแรงและระบบไฟส่องสว่างเฉพาะทาง
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำจากเพชรและ นำ ที่ทำจากเพชรนั้นเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง ความดันสูง รังสี หรือสารเคมีกัดกร่อน (เช่น โรงงานอุตสาหกรรม ใต้ดิน อวกาศ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์)
สำหรับอุตสาหกรรม นำ นี่หมายถึงสายผลิตภัณฑ์เฉพาะกลุ่ม ได้แก่ โคมไฟสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ไฟสัญญาณที่สำคัญต่อภารกิจ และแหล่งกำเนิดแสงเฉพาะสำหรับการวัดหรือ ยูวี/การฆ่าเชื้อ เพื่อแก้ไขปัญหาการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วของ นำ หรือไดรเวอร์แบบเดิม
การผสานรวมกับแกลเลียมไนไตรด์และ นำ กำลังสูง
จากการศึกษาพบว่า การผสมผสานฟิล์มเพชรกับแกลเลียมไนไตรด์สามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนของ นำ กำลังสูงได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยการกระจายและระบายความร้อนออกจากชิปได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ด้วยการห่อหุ้มอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าเพชรและ นำ กาเอ็น บนพื้นผิวเพชร ผู้ผลิตสามารถเพิ่มกระแสขับและกำลังไฟฟ้าต่อหน่วยพื้นที่ได้มากขึ้นโดยไม่ลดทอนความน่าเชื่อถือ ส่งผลให้ได้ผลิตภัณฑ์กำลังสูงที่สว่างและทนทานยิ่งขึ้น