Оружие и ресурсные войны

Китай, Тайвань, микроэлектроника, современная цивилизация… война за ресурсы и с их помощью. Китай в понедельник 04 июля 2023 заявил, что он наложит экспортные ограничения на галлий (Ga) и германий (Ge) с 1-го августа 2023 в целях защиты национальных интересов. Эти металлы используются в высокоскоростных компьютерных чипах, а также в оборонном секторе и секторах возобновляемой энергетики. Германий является ключевым элементом для волоконно-оптических кабелей, а также используется в высокоскоростных компьютерных чипах и пластмассах, а также этот металл и его оксиды используются в военных целях, например: в приборах ночного видения, а также в датчиках спутниковой съемки. Он очень важен для низкоуглеродистых технологий, таких как солнечные батареи. Те, кого это ограничение коснется, может встать враскоряку….

Агентство Рейтер сообщает: германиевые руды встречаются редко, и большая часть германия получается как побочный продукт производства цинка и из угольной летучей золы.

По данным Европейской ассоциации Critical Raw Materials Alliance (CRMA), Китай производит около 60% германия в мире, а остальное поступает из Канады, Финляндии, России и Соединенных Штатов. По данным китайской таможни, в прошлом году Китай экспортировал 43,7 метрических тонны необработанного и деформированного германия.

Галлий содержится в следовых количествах в цинковых рудах и в бокситах, а металлический галлий образуется при переработке бокситов для получения алюминия. По данным CRMA около 80% производится в Китае. Галлий используется для производства арсенида галлия для использования в электронике. Только несколько компаний — одна в Европе, а остальные в Японии и Китае — могут производить его с требуемой чистотой, сообщает CRMA. По данным китайской таможни, в 2022 году Китай экспортировал 94 метрических тонны галлия, что на 25% больше, чем годом ранее.

По данным USGS импорт в США пластин металлического галлия и арсенида галлия (GaAs) в 2022 году составил около 3 миллионов долларов и 200 миллионов долларов соответственно.

По данным Геологической службы США, небольшие количества галлия — около 10 метрических тонн в 2021 году — производятся Японией, Россией и Южной Кореей. Германия и Казахстан также производили его в прошлом. После роста цен в 2020 и 2021 годах Германия объявила, что возобновит первичное производство галлия.

Канадская компания Teck Resources является крупнейшим производителем германия в Северной Америке, добывая материал на собственном плавильном заводе в Британской Колумбии.

Американская Indium Corporation также производит германий, в то время как бельгийская Umicore производит как германий, так и галлий.

И что? Вроде, у всех все есть… А тогда по какой причине кипеш?

Не кремнием единым: из каких материалов сегодня изготавливают полупроводники

Кризис производства кремния в 2020-2021 гг. в связи с пандемией коронавируса показал, как сильно мы зависим от полупроводников. Нехватка материала, вызванная сокращением производства в Китае, в конце 2021 года привела к росту цен на него на 300% менее чем за два месяца. Компании и исследователи по всему миру начали еще активнее искать альтернативу кремнию.

От «простых» домашних приборов и компьютеров до солнечных элементов, полевых транзисторов и беспилотных автомобильных цепей — вся техника требует для работы полупроводниковые материалы. Современный мир буквально обязан им своим существованием.

Очевидный лидер отрасли до последнего времени — это кремний. На нем вся Кремниевая Долина процветала)). Но он подходит не для всех приборов, кроме того, физические свойства этого полупроводника ограничивают возможности для дальнейшей миниатюризации и повышения мощности чипов и создания гибких устройств. К счастью, есть и другие альтернативные материалы.

Как работают полупроводники и какие существуют перспективные альтернативы кремнию для создания микроэлектроники? -  подробнее про рынок в целом можно прочитать в июльском выпуске дайджеста по робототехнике «Микроэлектроника. Чем меньше, тем лучше», подготовленном Центром компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» на базе Университета Иннополис.

Что такое полупроводник

Полупроводник — материал, который по удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Как правило, это кристаллическое твердое вещество. При определенных условиях оно проводит электричество, что делает его идеальным для управления потоком тока.

Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или вообще блокируют его. Но с ростом температуры или под действием света они начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется легированием.

Важное отличие полупроводника от проводника заключается в том, что ток в нем переносится не только электронами, но и оставленными ими вакансиями — дырками. Дырки, оставшиеся в валентной зоне, могут быть заняты электронами из более низких энергетических состояний и тем самым вносить свой вклад в протекание тока.

Одна из ключевых характеристик полупроводника — это подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Это коэффициент, который показывает зависимость между средней скоростью частиц и приложенным внешним электрическим полем. Подвижность электронов и дырок может быть разной, например, у кремния при комнатной температуре отрицательно заряженные частицы движутся почти в три раза быстрее положительных.

Кроме того, полупроводники различаются по ширине «запрещенной зоны». Это так называемая минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. У металлов и других полупроводников она равна 0, а при достижении уровня в 4 эВ (электрон-вольта) и больше, материал становится диэлектриком.

Еще одна важная характеристика полупроводников — это теплопроводность. Она показывает, насколько быстро и просто можно будет отводить от компонентов тепло, чтобы защитить устройство от перегрева.

Кремний

Кремний — второй после углерода по распространенности химический элемент на Земле. Его основным преимуществом является то, что: 1. его легко добывать, 2. с кремниевыми кристаллами относительно просто работать, и 3. он обеспечивает хорошие общие электрические и механические свойства. Даже несмотря на относительно низкую подвижность электронов и дырок, пока он остается оптимальным материалом для микроэлектронного производства.

Еще одним его преимуществом является то, что при использовании в интегральных микросхемах, он образует высококачественный оксид кремния, который выступает в качестве изоляционных слоев между различными активными элементами.

Для увеличения плотности элементов и быстродействия интегральных схем используются комбинации элементов монокристаллического и поликристаллического кремния. А для увеличения проводимости поликристаллического кремния его легируют.

Полупроводники из кремния широко применяются для создания интегральных микросхем, биполярных и полевых транзисторов, приборов с зарядовой связью, быстродействующих фотодиодов и многих других устройств. А продукты на основе кремния, такие как MOSFET-или IGBT-транзисторы с супер-переходом, можно использовать в широком диапазоне напряжений (от единиц до нескольких сот вольт) и в различных классах мощности.

Факторы, влияющие на сложность производства. 

Германий

Мы все еще живем в «кремниевую» эпоху, и может показаться, что микроэлектроника началась с этого материала, но первым был германий. Он использовался во многих ранних устройствах: от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. Именно он до конца 1960-х годов был основным полупроводником, применяемым в электронных приборах, и только в начале 70-х его вытеснил кремний.

Новый «чемпион» гораздо более распространен, его производство дешевле, у него более широкая «запрещенная зона» и лучше теплопроводность. Но свое преимущество есть и у германия: носители заряда в этом материале гораздо более подвижны.

Например, при температуре 300 K (около 27°С) электроны в «первом» полупроводнике двигаются почти в три раза быстрее, чем у кремния, а дырки — почти в четыре раза.

Хотя германий и не подходит для современной микроэлектроники, благодаря этим свойствам он по-прежнему используется в некоторых радиочастотных приборах. Например, его применяют для создания СВЧ-устройств, аудио-аппаратуры, а также маломощном и прецизионном оборудовании.

Подвижность носителей заряда в различных полупроводниках.

Арсенид галлия

Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения трехвалентного галлия с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.

Большая ширина «запрещенной зоны» и высокая подвижность электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает это соединение подходящим для усиления высокочастотных сигналов. Кроме того, этот материал показал свою эффективность при высоких температурах и хорошую устойчивость к радиационному излучению (!).

Арсенид галлия давно применяется в микроэлектронике, поэтому производство устройств на его основе отлажено. Благодаря особым свойствам, материал используется в основном для создания сверхвысокочастотных приборов микроэлектроники: цифровых и аналоговых интегральных схем, дискретных полевых транзисторов и диодов Гана, которые работают без p-n-перехода за счет собственных средств материала. Кроме того, микросхемы на основе арсенида галлия применяются при изготовлении мобильных телефонов, микроволновых приборов, устройств спутниковой связи и некоторых радарных систем.

Однако это хрупкий материал с меньшей подвижностью дырок, чем у кремния, что делает невозможными создание таких устройств, как, например, КМОП-транзисторов, быстродействующих и энергосберегающих электронных схем. Его также относительно сложно изготовить, что увеличивает стоимость устройств из арсенида галлия. И у него достаточно низкая теплопроводность, что увеличивает риск перегрева устройств.

Материалы будущего — алмазы

Ширина «запрещенной зоны» алмаза превышает 3 эВ, поэтому по определению он диэлектрик. Однако, при добавлении примесей, драгоценный камень становится полупроводником.

Теоретически алмазные полупроводниковые устройства обладают превосходными физическими свойствами, включая высокую теплопроводность, напряженность поля пробоя и подвижность носителей. Это позволит существенно снизить потери, быстро рассеивать тепло и увеличить срок службы устройств. Кроме того, он может работать с выходной мощностью и энерго-эффективностью в 50 тыс. раз (!!!) выше, чем у кремниевых устройств, и в 1200 раз с более высокой частотой.

Однако для промышленного применения в электронных полупроводниковых устройствах необходимы высококачественные алмазные пластины большого размера. Хотя попытки создания алмазных приборов проводятся в течение многих лет, до сих не решены проблемы, связанные с легированием и обработкой материала.

Графен*

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода. По прогнозу компании McKinsey, у графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти до 25 лет.

Ключевая особенность этого материала — гибкость, поэтому из него можно производить различные сложные приборы. Этот материал считается многообещающим с точки зрения его дальнейшего использования, и по всему миру существуют целые институты, занимающиеся изучением и разработками в области графена.

Он может пригодиться в самых разных отраслях: от современных энергетических сетей и альтернативной энергетики до биомедицины. В микроэлектронике графен можно использовать в сверхчувствительных микропроцессорах, элементах квантовых компьютеров и датчиках с экстремальными параметрами.

*Справка: графен был открыт подданными Нидерландов и Великобритании, учеными русского происхождения - Андреем Геймом и Константином Новоселовым. За что они были удостоены нобелевской премии по физике в 2010 году.

Несмотря на высокую популярность и эффективность кремниевых полупроводников, нужны аналоги. К этому производителей подталкивают сразу два фактора. Во-первых, технология почти достигла предела, за которым будет невозможно создавать все более миниатюрные и мощные устройства. А во-вторых, постоянный рост спроса на кремний приводит к его удорожанию.

Кризис производства, возникший во время пандемии коронавируса, показал, как опасно опираться на единственный источник. Поэтому компании и ученые по всему миру работают над созданием альтернативы. Тем не менее, можно предположить, что благодаря дешевизне, доступности и отлаженности производства кремниевых приборов еще какое-то время этот материал будет занимать лидирующую позицию в микроэлектронике.

Производить галлий (Ga) и германий (Ge) просто, заменить Китай — нет

Итак, Китай - мировой лидер по поставкам галлия и германия - вводит ограничения на экспорт этих металлов. Россия от запретов не зависит: наша страна полностью обеспечивает свои потребности в данном сырье.

Китай фактически запрещает зарубежные поставки металлов, без которых невозможно производство телекоммуникационного и электротехнического оборудования. Речь идет о галлии и германии, экспортный контроль за которыми вступит в силу с 1 августа. Учитывая, что КНР, по данным британского Центра разведки критических металлов, добывает примерно 94% мировых объемов галлия, ситуация для рынка критическая.

У восьми китайских компаний осталась возможность экспортировать германий и галлий, но теперь им придется направлять заявки на получение специальных лицензий в Министерство торговли страны. При этом они будут обязаны сообщать всю информацию об иностранных покупателях, а также раскрывать подробности всех поступающих заказов.

Причину введения запрета на экспорт галлия и германия объяснило китайское Министерство торговли. Пекин пошел на такой шаг для «обеспечения национальной безопасности и интересов Китая», следует из документа. "Все это — из-за эскалации торговой войны с США и Европой", - утверждает Bloomberg… Ну а чего они хотели?

Галлий необходим в производстве мобильных телефонов и оптоволокна. Его также используют в производстве оборудования для спутниковой связи и в военных целях. Более того, в смартфонах со связью 3G и 4G присутствует в 10 раз больше галлия, чем в более ранних моделях. Поэтому прогнозируется, что спрос на металл в будущем будет только увеличиваться.

Германий в основном используется в волоконно-оптических системах, инфракрасной оптике (тепловизорах, приборах ночного видения и другой технике), в широкоугольных объективах и микроскопах. Также он нужен при создании пластмассы и солнечных батарей.

Китай не заменишь

Производство галлия и германия нельзя назвать сложной задачей, поскольку эти металлы — побочные продукты переработки угля и бокситов, задействованных при производстве алюминия. Таким образом, предполагают эксперты, почти любая страна с развитой алюминиевой промышленностью способна занять место Китая, став лидером по поставкам этих металлов.

В России галлий выпускается на Пикалевском глиноземном заводе, который входит в состав “Русала”. Германий — на красноярском предприятии “Германий” и на ООО “Германий и приложения” в Тульской области. То есть в Китае этими металлами занимаются восемь компаний, в России на этом специализируется три предприятия.

России удается обеспечивать свои потребности в галлии и германии, исключение — особо чистый германий, который страна закупает у Китая. Но в прошлом году входящий в «Ростех» холдинг «Швабе» заявил о планах запустить и такое производство.

Становиться бенефициаром торгово-промышленного противостояния Китая и США российский бизнес в этом сегменте не планирует, но и сильно задет не будет. Хотя есть другие более серьезные сырьевые угрозы. В России имеются месторождения практически всех полезных ископаемых, однако существуют химические элементы, добыча которых на ее территории не ведется, — возможное введение санкций на них значительно отразится на РФ. Это относится к марганцевому сырью, на основе которого создаются антисептики и бактерицидные средства, его также применяют в металлургии и промышленности. Оно импортируется из Африки, и введение санкций на его экспорт в Россию автоматически может оставить отечественную металлургию без марганца, — утверждают эксперты. Кроме того, аналогичная ситуация и с ниобием, он необходим в электронной промышленности, авиации, атомной энергетике и металлургии. Этот металл поставляют из Бразилии.

Для российских потребителей все подорожает?

Для рядового потребителя конфликт может быть чувствительным. Поскольку большинство мировых поставок обоих металлов обеспечивала именно КНР, новые ограничения и рост цен на галлий и германий негативно повлияют на производство техники, предупреждает Bloomberg.

При этом ведущий аналитик Mobile Research Group Эльдар Муртазин утверждает, что «в среднесрочной перспективе цены в любом случае будут идти вверх, вне зависимости от решения Китая».

«Торговая война между КНР и США развивается, ограничения будут взаимными и разноплановыми, поэтому электроника дорожает каждый год в среднем на 15–20% в любой валюте», — отметил он. По прогнозам эксперта, эта тенденция сохранится, и в 2025-м, предположительно, техника будет стоить для потребителя в два раза дороже, чем в 2020–2021 годах.

«Электроника американских брендов также производится в Китае, там сосредоточено 90% мирового производства. Запрет на экспорт металлов бьет по производству вне страны, — напомнил Муртазин. — Таким образом Пекин показывает, что те, кто сотрудничает с Китаем и покупает продукцию на его рынке, будут в выигрыше».

«Поэтому ситуация не скажется моментально на стоимости электроники, но глобально запрет на экспорт галлия и германия — не первый и не последний шаг. Сейчас производители вне Китая оказались в проигрышном положении», — считает аналитик.

Ценовой скачок может составить не менее 20%. На рынке возникнет дефицит германия и галлия, от которого будут страдать производители полупроводников, в частности крупнейший на планете поставщик — тайваньский TSMC, предрекают эксперты: «В таких условиях им придется искать других партнеров, которые в полном объеме смогут заместить поставки, но, очевидно, что конкурентов Китаю в этом плане нет. В противном случае некоторые предприятия будут вынуждены приостановить работу — этот сценарий более вероятный».

Чтобы добраться до ресурсов, нужно оружие, но чтобы это оружие произвести нужны ресурсы!! ... Ну и?!!!))

И это очень эффективное экономическое оружие нашего партнера и союзника – Китая!!

Источники:

www.reuters.com/markets/commodities/where-are-strategic-materials-germanium-gallium-produced-2023-07-04/

https://hightech.fm/2022/08/06/silicon-alternatives

https://dzen.ru/a/ZKXId2sqATvdeOEf