Wyjaśnienie: GaN (azotek galu) i przyszłość technologii, którą ujrzy

W ciągu ostatnich kilku dekad przestrzeń technologiczna stała się bodźcem do przyjęcia rozwiązań szybkiego ładowania. Czy to na smartfonie, tablecie, czy nawet laptopie, szybkie ładowarki zaczynają być wszechobecne. Chociaż cała ta oferta jest oparta na krzemie, podstawowa technologia zaczyna ewoluować w coś mocniejszego, wydajniejszego i bardziej kompaktowego. Wszystko to w dużym stopniu zależy od GaN (azotek galu), materiału półprzewodnikowego, który pojawił się w latach 90. i od tego czasu jest nieustannie badany i postrzegany jako potencjalny zamiennik dla krzemu – nie wspominając o sposobie osiągnięcia bardziej wydajne i wydajne systemy o mniejszej powierzchni. Aby lepiej zrozumieć, czym jest GaN i jak potencjalnie może on wiązać się z przyszłością technologii w nadchodzących latach, oto wyjaśnienie.

Era krzemu

Szybki wstęp do obecnego stanu technologii: od czasu powstania złożonych systemów obliczeniowych, podstawowa technologia, która tworzy ramy dla tych systemów, stopniowo ulegała zmianom i postępom, które doprowadziły współczesną moc obliczeniową do poziomu, w jakim jest dzisiaj — trzymając się na najwyższym poziomie dla różnych wymagań.

Obecnie większość ludzi zdaje sobie sprawę, że podstawowym niezbędnym elementem nowoczesnych systemów, czy to komputerów, smartfonów, czy innych nowoczesnych urządzeń elektronicznych, jest krzem (Si). Materiał półprzewodnikowy, który zastąpił rozwiązania wcześniejszej generacji, takie jak rura próżniowa, dzięki swoim doskonałym właściwościom elektrycznym. Podczas gdy w większości obwodów, płyt głównych i innych elementów elektronicznych występujących w różnych urządzeniach używa się krzemu w swoim rdzeniu, ten niegdyś popularny materiał zbliża się teraz do swojego punktu nasycenia.

Dla nieświadomych, prawo Moore'a, które sugeruje, że liczba tranzystorów w chipsecie podwaja się co dwa lata (podczas gdy koszt zmniejsza się o połowę) i dokładnie obrazuje rozwój nowoczesnych komputerów, zbliża się do końca. Zasadniczo oznacza to, że obecnie wydaje się, że informatycy osiągnęli potencjalne granice krzemu (szczególnie w przypadku tranzystorów MOSFET na bazie krzemu), przy czym nie wydaje się prawdopodobne, aby wprowadzać znaczące postępy i ulepszenia do tabeli lub dopasować się do Moore'a. prawo. Jednak trwające wieki poszukiwanie alternatywy dla krzemu, który w niektórych przypadkach jest nie tylko taki sam, jak i lepszy, doprowadziło do odkrycia nowego materiału półprzewodnikowego, GaN lub azotku galu.

Co to jest GaN i jakie ma zalety w stosunku do krzemu?

GaN lub azotek galu to związek chemiczny wykazujący właściwości półprzewodnikowe, których badania sięgają lat 90-tych. W tym czasie związek rozpoczął swoją podróż do komponentów elektronicznych z diodami LED, a później trafił do odtwarzaczy Blu-ray. Od tego czasu GaN znalazł zastosowanie w produkcji tranzystorów, diod i kilku innych komponentów. I dlatego z tego, co się wydaje, materiał wydaje się być coraz bliżej zastąpienia krzemu w różnych pionach.

Jednym z wyróżniających (i najważniejszych) czynników oddzielających GaN od krzemu jest szersza przerwa wzbroniona, która jest wprost proporcjonalna do tego, jak dobrze energia elektryczna przechodzi przez materiał. Aby dać pewien kontekst, pasmo wzbronione oferowane przez GaN wynosi 3,4 eV, co w porównaniu do 1,12 eV firmy Silicon jest zauważalnie szersze. W rezultacie GaN może zasadniczo wytrzymać wyższe poziomy napięcia niż krzem i może przesyłać energię z większą prędkością. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, GaN radzi sobie z ograniczeniem rozpraszanego ciepła lepiej niż Silicon, co dodatkowo rozszerza zakres rozwiązań ładowania, które mogą być teraz zarówno szybkie, jak i bezpieczne. Mówiąc najprościej, zalety te oznaczają, że GaN może oferować szybsze przetwarzanie w porównaniu z krzemem, będąc jednocześnie energooszczędnym, zachowując stosunkowo mniejszy współczynnik kształtu i utrzymując niższe koszty.

Powodem spadku kosztów produkcji jest fakt, że komponenty GaN będą wykorzystywały te same procedury wytwarzania krzemu, które są używane do wytwarzania istniejących komponentów na bazie krzemu do ich produkcji. W tym momencie możesz zauważyć, że urządzenia GaN, na przykład adaptery ładowania oparte na GaN, są obecnie wyceniane nieco wyżej niż ich odpowiedniki z krzemu. Dzieje się tak dlatego, że koszt produkcji jest zawsze wyższy, gdy trzeba wyprodukować elementy lub urządzenia w małych ilościach, w przeciwieństwie do przypadków, gdy produkcja odbywa się masowo, co znacznie obniża koszty produkcji. Tak więc, gdy zaczniemy dostrzegać wzrost zastosowania GaN w różnych komponentach elektronicznych i powiązanych technologiach, ostateczny koszt produktu końcowego byłby znacznie niższy niż w przypadku oferty Silicon.

Nie oznacza to jednak, że GaN może z łatwością całkowicie zastąpić krzem. Ponieważ ostatecznie sprowadza się to do scenariusza użycia i wymagań systemu. Na przykład GaN może nie być idealnym wyborem dla systemów, które, powiedzmy, mają granice niskich temperatur lub nie wymagają szybszych transferów energii. Dlatego krzem nadal będzie miał znaczenie w takich systemach.

Gdzie jest (i może być) używany GaN?

Technologia GaN wkrótce będzie świadkiem ogromnej adopcji w przestrzeni technologii ładowania. W miarę jak smartfony wprowadzają rozwiązania do szybszego ładowania w swoich najnowszych ofertach, a klienci wydają się je doceniać, zbliżamy się do punktu, w którym coraz więcej producentów chce przyjąć GaN zamiast krzemu. To oczywiście oznacza, że ​​nadchodzące ładowarki do laptopów, tabletów, a nawet smartfonów będą oferować większą moc (~65 W), szybko ładować urządzenia i mieć kompaktowy rozmiar, a jednocześnie będą bezpieczne w użyciu. Niektóre z ładowarek opartych na GaN, które są obecnie dostępne u zewnętrznych producentów akcesoriów, obejmują ładowarki popularnych marek, takich jak RAVPower, Aukey i Anker, aby wymienić tylko kilka.

Choć obecnie przyjęcie GaN nie jest przełomowe, to z pewnością wygląda obiecująco w nadchodzących latach. Na początek można oczekiwać, że GaN będzie powoli wkraczał w rozwój i ulepszanie sieci 5G, co według niektórych ekspertów może pomóc lepiej przy częstotliwościach poniżej 6 GHz i mmWave. Nie wspominając o potrzebie zwiększenia wydajności energetycznej sieci, którą technologia GaN wydaje się oferować lepiej niż jej odpowiedniki. Chociaż przypadki użycia GaN dla 5G są dość zróżnicowane, w tej dyskusji ledwo zarysowujemy powierzchnię. Warto jednak wspomnieć, że przewidywane w sieciach 5G prędkości połączeń i zasięg wymagają czegoś podobnego do tego, co obiecuje GaN.

Podobnie, kolejną dziedziną, w której potencjał GaN może pomóc w ulepszeniu i postępie, a z kolei zastąpić krzem, są komponenty elektroniczne, takie jak tranzystory i wzmacniacze. Nie wspominając o urządzeniach optoelektronicznych, w tym laserach, diodach LED i kilku innych urządzeniach elektronicznych, które widzą duży potencjał w GaN. W ostatnim czasie badacze odkryli również potencjalne zalety stosowania GaN w autonomicznych samochodach, które w dużej mierze opierają się na LiDAR (Light Detection and Ranging) do pomiaru odległości między różnymi obiektami.

Co powstrzymuje GaN przed wejściem do głównego nurtu?

Chociaż w większym stopniu technologia GaN z pewnością wygląda obiecująco, jeśli chodzi o oferowanie większej ilości energii i większych prędkości przy obniżonych kosztach i kompaktowych rozmiarach, nadal istnieje wiele niewiadomych i złożoności, którymi należy się zająć, które powstrzymują ją przed wymianą Krzem w różnych branżach. Największy z nich związany jest z jego przyjęciem w rozwoju tranzystorów MOSFET, które konkurują ze sobą, jeśli nie lepiej, niż te oparte na krzemie. Jednak od kilku lat prowadzone są badania mające na celu znalezienie sposobu na wykorzystanie GaN do produkcji tranzystorów MOSFET i innych dziedzin, aby poprawić przyszłość technologii. Nie powinno więc minąć dużo czasu, zanim zaczniemy widzieć, jak GaN wkracza do głównego nurtu produktów konsumenckich.