تُعدّ شركة باور دايموند سيستمز (نظام توزيع الطاقة)، وهي شركة يابانية ناشئة من جامعة واسيدا، رائدةً في تصنيع أشباه الموصلات الكهربائية من الجيل التالي باستخدام الماس الصناعي. وقد حققت الشركة أداءً متميزًا في معرض سيميكوندكتور جابان 2025، حيث كشفت النقاب عن ترانزستورات MOSFET (ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) المصممة خصيصًا لتطبيقات الجهد العالي ودرجات الحرارة المرتفعة. والجدير بالذكر أن نظام توزيع الطاقة عرضت هذه التقنية في نظام التقييم المتكامل الخاص بها، مؤكدةً بذلك التشغيل الناجح للأجهزة المُغلّفة، وهو ما يُمثّل أول توثيق علني لأداء أشباه الموصلات الماسية المُغلّفة.
صُممت ترانزستورات MOSFET الماسية هذه بدقة متناهية لتحمل مئات الفولتات، وتتميز بمتانة وكفاءة تفوق بكثير المنتجات المماثلة المصنوعة من السيليكون (نعم) وحتى كربيد السيليكون (كربيد السيليكون). تتوقع شركة نظام توزيع الطاقة استخدام هذه الأجهزة في مجالات مثل المركبات الكهربائية، ومنصات الفضاء، وأقمار الاتصالات، حيث توجد تحديات تصميمية جسيمة تتعلق بالإجهاد الحراري والإشعاع وكثافة الطاقة. وبينما لا تزال هذه التقنية في مرحلة البحث والتطوير، تخطط الشركة للتعاون مع شركاء صناعيين محتملين لتحقيق التسويق التجاري بحلول ثلاثينيات القرن الحالي.
تتجاوز طموحات شركة نظام توزيع الطاقة السوق المحلية بكثير. ففي يوليو 2025، أعلنت الشركة الناشئة عن شراكة بحثية مشتركة مع وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) لاختبار ترانزستورات MOSFET الماسية الخاصة بها في بيئات فضائية واقعية. ويهدف هذا التعاون إلى التحقق من متانة هذه الأجهزة في ظل ظروف الإشعاع المكثف والفراغ والتغيرات الحرارية الدورية الشائعة في العمليات الكوكبية والفضائية. ومن المقرر أن تبدأ اختبارات الأداء والموثوقية الأرضية في السنة المالية 2025 (من أبريل 2025 إلى مارس 2026). وستقيّم هذه المرحلة الاستقرار الميكانيكي والإلكتروني للأجهزة قبل إرسال المكونات إلى منصة اختبار مدارية أو مهمة فضائية بعيدة المدى.
يتمتع الماس، كركيزة لأشباه الموصلات، بمزايا عديدة متأصلة. فهو يتميز بأعلى موصلية حرارية معروفة بين جميع المواد الصلبة، ومقاومة ممتازة للإشعاع، وفجوة طاقة واسعة، مما يجعله مادة مثالية لتطبيقات الجهد العالي. تُمكّن هذه الخصائص الأجهزة المصنوعة من الماس من العمل عند درجات حرارة وفولتيات أعلى من تلك المصنوعة من كربيد السيليكون (كربيد السيليكون) أو نتريد الغاليوم (شبكة GaN)، مما قد يُعيد تعريف إلكترونيات الطاقة في تطبيقات الفضاء والدفاع والمركبات الكهربائية عالية الأداء في المستقبل.
حتى الآن، حققت نماذج نظام توزيع الطاقة الأولية كثافات طاقة قياسية، مما وضع الشركة في طليعة ابتكارات أشباه الموصلات. ورغم أن الإنتاج الضخم لا يزال على بعد سنوات، إلا أن نظام توزيع الطاقة مهيأة لتصبح رائدة في مجال أشباه موصلات الطاقة فائقة الأداء خلال العقد القادم، بفضل المزايا الفيزيائية للماس، وهندسة الأجهزة المتكاملة رأسياً، والتعاون مع المؤسسات.
يمكن لأشباه الموصلات الكهربائية المصنوعة من الماس، كتلك التي تنتجها شركة نظام توزيع الطاقة، أن تؤثر على إضاءة قاد، لكن هذا التأثير غير مباشر في المقام الأول وعلى مستوى النظام ككل. ويكمن تأثيرها الأكبر في إدارة الحرارة، وكفاءة مشغلات الطاقة، والموثوقية، وبعض التطبيقات البيئية الصعبة.
كفاءة النظام وتصغير الحجم
يمكن لترانزستورات MOSFET الماسية أن تقوم بتبديل الفولتيات العالية مع خسائر أقل، مما يحسن كفاءة تحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر والتيار المستمر إلى التيار المستمر لمحركات مصابيح قاد عالية الطاقة مثل مصابيح الشوارع وإضاءة الملاعب ومصابيح الحدائق.
تؤدي زيادة كفاءة المحرك إلى تقليل الحرارة المهدرة، مما يسمح باستخدام مشتتات حرارية أصغر، وتصميمات إضاءة أكثر إحكاما، أو لومن أعلى لكل وحدة إضاءة ضمن ميزانية طاقة معينة.
الإدارة الحرارية والعمر الافتراضي
إن الموصلية الحرارية الممتازة للماس تجعله ذا قيمة ليس فقط كمادة شبه موصلة نشطة ولكن أيضًا كمادة لتبديد الحرارة في وحدات قاد ولوحات التشغيل.
لقد ثبت أن استخدام ركائز الماس أو لوحات الدوائر في مصابيح قاد عالية الطاقة يطيل عمر المكونات بشكل كبير لأنه يقلل من درجة حرارة الوصلة، وهي آلية فشل حرجة في أنظمة قاد عالية الطاقة.
البيئات القاسية والإضاءة المتخصصة
تعتبر الإلكترونيات المصنوعة من الماس ومصابيح قاد المصنوعة من الماس مناسبة للبيئات القاسية مثل درجات الحرارة العالية والضغوط العالية والإشعاع أو المواد الكيميائية المسببة للتآكل (مثل المصانع الصناعية، وتحت الأرض، والفضاء، والطاقة النووية).
بالنسبة لصناعة مصابيح قاد، يترجم هذا إلى خطوط إنتاج متخصصة: تجهيزات إضاءة البيئات القاسية، وأضواء الإشارة ذات الأهمية البالغة، ومصادر ضوء القياس أو الأشعة فوق البنفسجية/التعقيم المخصصة للتقادم السريع لمصابيح قاد التقليدية أو مشغلاتها.
التكامل مع نتريد الغاليوم ومصابيح قاد عالية الطاقة
أظهرت الدراسات التي تجمع بين أغشية الماس ونيتريد الغاليوم أن الأداء الحراري لمصابيح قاد عالية الطاقة يمكن تحسينه بشكل كبير من خلال نشر واستخراج الحرارة من الشريحة بشكل أكثر فعالية.
من خلال تغليف أجهزة الطاقة الماسية ومصابيح قاد المصنوعة من شبكة GaN على ركيزة ماسية، يمكن للمصنعين زيادة تيار التشغيل وكثافة الطاقة بشكل أكبر دون التضحية بالموثوقية، وبالتالي تحقيق حزم طاقة عالية أكثر سطوعًا وقوة.