شرح: GaN (نيتريد الغاليوم) ومستقبل التكنولوجيا الذي يراه

على مدى العقود القليلة الماضية ، شهد الفضاء التكنولوجي حافزًا في اعتماد حلول الشحن السريع. سواء كان ذلك على هاتف ذكي أو جهاز لوحي أو حتى كمبيوتر محمول ، فقد بدأت أجهزة الشحن السريعة في الانتشار في كل مكان. في حين أن مجمل هذه العروض يعتمد على السيليكون ، إلا أن التكنولوجيا الأساسية بدأت في التطور لتصبح شيئًا أكثر قوة وفعالية وصغرًا. تعتمد جميعها بشكل كبير على GaN (Gallium Nitride) ، وهي مادة شبه موصلة شهدت ظهورها مرة أخرى في التسعينيات ، ومنذ ذلك الحين ، تم البحث عنها باستمرار والنظر إليها على أنها بديل محتمل للسيليكون - ناهيك عن كونها وسيلة لتحقيق أنظمة أكثر قوة وكفاءة ذات مساحة أصغر. للحصول على فهم أفضل لما هو GaN وكيف يحمل مستقبل التكنولوجيا في السنوات القادمة ، إليك شرح.

عصر السيليكون

مقدمة سريعة عن الحالة الحالية للتكنولوجيا: منذ بداية أنظمة الحوسبة المعقدة ، شهدت التكنولوجيا الأساسية الموجودة تحتها ، والتي تشكل إطارًا لهذه الأنظمة ، تغييرات وتطورات تدريجية جلبت قوة الحوسبة الحديثة إلى ما هي عليه اليوم - يحتفظ بمطالب متنوعة.

في الوقت الحاضر ، يدرك معظم الناس أن العنصر الأساسي في الأنظمة الحديثة ، سواء كانت أجهزة الكمبيوتر أو الهواتف الذكية أو غيرها من الأجهزة الإلكترونية الحديثة ، هو السيليكون (Si). مادة شبه موصلة حلت محل حلول الجيل السابق مثل الأنبوب المفرغ بفضل خصائصه الكهربائية الفائقة. في حين أن غالبية الدوائر واللوحات الأم والمكونات الإلكترونية الأخرى الموجودة في مختلف الأجهزة تستخدم السيليكون في جوهرها ، فإن المادة التي كانت شائعة في السابق تقترب الآن من نقطة التشبع.

بالنسبة لأولئك غير المدركين ، فإن قانون مور ، الذي يقترح أن عدد الترانزستورات على مجموعة شرائح يتضاعف كل عامين (بينما التكلفة تنخفض إلى النصف) ، ويصور بدقة نمو الحوسبة الحديثة ، يقترب من نهايته. ما يعنيه هذا بشكل أساسي هو أنه ، في الوقت الحالي ، يبدو أن علماء الكمبيوتر قد وصلوا إلى الحدود المحتملة للسيليكون (لا سيما مع MOSFETs القائمة على السيليكون) ، حيث لا يبدو من المعقول إدخال تحسينات وتحسينات كبيرة على الجدول أو التوافق مع Moore قانون. ومع ذلك ، فإن السعي الطويل الأمد لإيجاد بديل للسيليكون ، والذي ليس فقط على قدم المساواة ولكنه متفوق في بعض الحالات ، أدى إلى اكتشاف مادة جديدة لأشباه الموصلات ، GaN أو Gallium Nitride.

ما هو GaN ، وما المزايا التي يتمتع بها على السيليكون؟

GaN أو Gallium Nitride هو مركب كيميائي يعرض خصائص أشباه الموصلات ، تعود دراساته إلى التسعينيات. خلال هذه الفترة ، بدأ المركب رحلته إلى المكونات الإلكترونية باستخدام مصابيح LED ، ثم وجد طريقه لاحقًا إلى مشغلات Blu-ray. منذ ذلك الحين ، وجد GaN استخدامه في تصنيع الترانزستورات والثنائيات وبعض المكونات الأخرى. وبالتالي ، مما يبدو ، يبدو أن المادة تقترب شيئًا فشيئًا من استبدال السيليكون عبر قطاعات رأسية مختلفة.

أحد العوامل المميزة (والأكثر أهمية) التي تفصل الجاليوم عن السيليكون هو فجوة النطاق الأوسع ، والتي تتناسب طرديًا مع مدى جودة مرور الكهرباء عبر المادة. لإعطاء بعض السياق ، تأتي فجوة النطاق التي تقدمها GaN عند 3.4 فولت ، والتي ، مقارنة بـ 1.12 فولت من السيليكون ، أوسع بشكل ملحوظ. نتيجة لذلك ، يمكن للجاليوم بشكل أساسي أن يتحمل مستويات جهد أعلى من السيليكون ويمكنه نقل الطاقة بسرعات أعلى. عندما يتعلق الأمر بالسلامة ، تمكنت GaN من خفض الحرارة المشتتة بشكل أفضل من السيليكون ، مما يوسع نطاق حلول الشحن التي يمكن أن تكون الآن سريعة وآمنة. ببساطة ، ما تدل عليه هذه المزايا هو أن GaN يمكن أن يوفر سرعات معالجة أسرع على السيليكون بينما يكون موفرًا للطاقة ، ويحافظ على عامل شكل أصغر نسبيًا ، ويحافظ على التكلفة أقل.

يرجع السبب وراء انخفاض تكلفة الإنتاج إلى حقيقة أن مكونات GaN ستستخدم نفس إجراءات تصنيع السيليكون المستخدمة في تصنيع المكونات الحالية القائمة على السيليكون لإنتاجها. ومع ذلك ، في هذه المرحلة ، قد تلاحظ أن أجهزة GaN ، على سبيل المثال ، محولات الشحن القائمة على GaN ، يتم تسعيرها حاليًا أعلى قليلاً من نظيراتها من السيليكون. هذا لأن تكلفة التصنيع دائمًا ما تكون في الجانب الأعلى عندما يتعين عليك إنتاج مكونات أو أجهزة بأعداد صغيرة ، على عكس الحالات التي يتم فيها التصنيع بكميات كبيرة ، مما يقلل من تكلفة الإنتاج بشكل كبير. لذلك ، بمجرد أن نبدأ في رؤية زيادة في اعتماد GaN في المكونات الإلكترونية المختلفة والتقنيات ذات الصلة ، فإن التكلفة النهائية للمنتج النهائي ستكون أقل بكثير من عروض Silicon.

ومع ذلك ، هذا لا يعني أن GaN يمكن أن يحل محل السيليكون بالكامل بسهولة. لأنه ، في نهاية اليوم ، يتلخص في سيناريو حالة الاستخدام ومتطلبات النظام. على سبيل المثال ، قد لا يكون GaN خيارًا مثاليًا للأنظمة التي ، على سبيل المثال ، لها حدود درجات حرارة منخفضة أو لا تتطلب عمليات نقل أسرع للطاقة. وبالتالي ، سيظل السيليكون مناسبًا لمثل هذه الأنظمة.

أين (ويمكن) استخدام GaN؟

ستشهد تقنية GaN قريبًا اعتمادًا هائلاً في مجال تقنية الشحن. نظرًا لأن الهواتف الذكية تقدم حلول شحن أسرع في عروضها الأخيرة ، ويبدو أن العملاء يقدرونها ، فإننا نقترب من نقطة حيث يتطلع المزيد والمزيد من الشركات المصنعة إلى اعتماد GaN على Silicon. من الواضح أن هذا يعني أن أجهزة الشحن القادمة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الأجهزة اللوحية أو حتى الهواتف الذكية ستوفر المزيد من الطاقة (~ 65 واط) ، وشحن الأجهزة بسرعة ، ولها حجم صغير ، مع كونها آمنة للاستخدام أيضًا. تتضمن بعض أجهزة الشحن القائمة على GaN والمتاحة حاليًا من صانعي الملحقات الخارجية تلك من العلامات التجارية الشهيرة مثل RAVPower و Aukey و Anker ، على سبيل المثال لا الحصر.

بينما ، في الوقت الحالي ، لا يعد اعتماد GaN رائدًا ، إلا أنه يبدو بالتأكيد واعدًا في السنوات القادمة. بالنسبة للمبتدئين ، يمكنك أن تتوقع أن تشق GaN طريقها ببطء إلى تطوير وتحسين شبكة 5G ، والتي يقترح بعض الخبراء أنها يمكن أن تساعد بشكل أفضل مع ترددات فرعية 6 جيجا هرتز وموجات مم. ناهيك عن الحاجة إلى زيادة كفاءة طاقة الشبكة ، والتي يبدو أن تقنية GaN تقدمها أفضل من نظيراتها. في حين أن حالة استخدام GaN لـ 5G متنوعة جدًا ، فإننا بالكاد نخدش السطح في هذه المناقشة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن نوع سرعات الاتصال والتغطية المتوقعة مع شبكات 5G يتطلب شيئًا مشابهًا على غرار ما تعد به شبكة GaN.

وبالمثل ، فإن المجال الآخر الذي يمكن أن تساعده إمكانات GaN في التحسين والتقدم ، وبالتالي استبدال السيليكون ، هو المكونات الإلكترونية مثل الترانزستورات ومكبرات الصوت. ناهيك عن الأجهزة الإلكترونية الضوئية ، بما في ذلك أمثال الليزر ومصابيح LED وبعض الأجهزة الإلكترونية الأخرى ، التي تشهد الكثير من الإمكانات في GaN. في الآونة الأخيرة ، اكتشف الباحثون أيضًا المزايا المحتملة لاستخدام GaN في السيارات ذاتية القيادة ، والتي تعتمد بشكل كبير على LiDAR (اكتشاف الضوء والمدى) لقياس المسافات بين الأجسام المختلفة.

ما الذي يمنع GaN من شق طريقها إلى التيار الرئيسي؟

بينما إلى حد كبير ، تبدو تقنية GaN بالتأكيد واعدة عندما يتعلق الأمر بتقديم المزيد من الطاقة وسرعات أسرع بتكلفة منخفضة وحجم صغير ، لا يزال هناك الكثير من أوجه عدم اليقين والتعقيدات ، التي يجب معالجتها ، والتي تمنعها من الاستبدال السيليكون عبر مختلف القطاعات. أكبرها يتعلق باعتمادها في تطوير MOSFETs التي تتنافس وجهاً لوجه ، إن لم تكن أفضل ، من تلك القائمة على السيليكون. ومع ذلك ، يتم إجراء دراسات لإيجاد طريقة لجعل GaN في إنتاج MOSFETs وغيرها من المجالات لتحسين مستقبل التكنولوجيا في السنوات القليلة الماضية. لذلك ، لا ينبغي أن يمر وقت طويل قبل أن نبدأ في رؤية GaN يشق طريقه إلى المنتجات الاستهلاكية السائدة.