Spiegato: GaN (Nitruro di Gallio) e il futuro della tecnologia che comporta

Negli ultimi decenni, il settore tecnologico ha visto un’impennata nell’adozione di soluzioni di ricarica rapida. Che si tratti di uno smartphone, un tablet o anche un laptop, i caricabatterie rapidi stanno diventando sempre più ubiqui. Mentre l’interezza di queste offerte è basata sul silicio, la tecnologia sottostante sta iniziando a evolversi in qualcosa di più potente, efficiente e compatto. Tutto ciò è altamente dipendente dal GaN (Nitruro di Gallio), un materiale semiconduttore che ha visto la sua emergenza negli anni ‘90 e da allora è stato continuamente ricercato e visto come un potenziale sostituto del silicio — per non parlare di un modo per ottenere sistemi più potenti ed efficienti con un ingombro minore. Per avere una migliore comprensione di cosa sia il GaN e di come possa potenzialmente contenere il futuro della tecnologia negli anni a venire, ecco una spiegazione.

L’era del Silicio

Un rapido riassunto sullo stato attuale della tecnologia: sin dall’inizio dei sistemi di calcolo complessi, la tecnologia fondamentale sottostante, che forma un quadro per questi sistemi, ha gradualmente visto cambiamenti e progressi che hanno portato la potenza di calcolo moderna a dove si trova oggi — mantenendo la supremazia per diverse esigenze.

Attualmente, la maggior parte delle persone è consapevole che l’elemento essenziale nei sistemi moderni, che si tratti di computer, smartphone o altri dispositivi elettronici moderni, è il Silicio (Si). Un materiale semiconduttore che ha sostituito le soluzioni di generazione precedente come il tubo a vuoto grazie alle sue superiori proprietà elettriche. Anche se, in larga misura, la maggior parte dei circuiti, delle schede madri e di altri componenti elettronici trovati in vari dispositivi utilizza il Silicio come nucleo, il materiale un tempo popolare si sta avvicinando al suo punto di saturazione.

Per chi non lo sapesse, la Legge di Moore, che suggerisce che il numero di transistor su un chipset raddoppia ogni due anni (mentre il costo si dimezza), e rappresenta accuratamente la crescita del calcolo moderno, sta per giungere al termine. Ciò significa essenzialmente che, attualmente, gli scienziati informatici sembrano aver raggiunto i limiti potenziali del Silicio (particolarmente con i MOSFET basati sul Silicio), dove non sembra plausibile apportare significativi progressi e miglioramenti o allinearsi con la legge di Moore. Tuttavia, la ricerca di un’alternativa al Silicio, che non sia solo alla pari ma superiore in alcune istanze, ha portato alla scoperta di un nuovo materiale semiconduttore, il GaN o Nitruro di Gallio.

Cos’è il GaN e quali vantaggi offre rispetto al Silicio?

Il GaN o Nitruro di Gallio è un composto chimico che mostra proprietà semiconduttrici, studi per il quale risalgono agli anni ‘90. Durante quel periodo, il composto ha iniziato il suo viaggio nei componenti elettronici con i LED e, successivamente, ha trovato la sua strada nei lettori Blu-ray. Da allora, il GaN ha trovato il suo utilizzo nella produzione di transistor, diodi e alcuni altri componenti. E quindi, da quanto sembra, il materiale sembra avvicinarsi a sostituire il Silicio in diversi settori.

Uno dei fattori distintivi (e più importanti) che separano il GaN dal Silicio è un gap di banda più ampio, che è direttamente proporzionale a quanto bene l’elettricità passa attraverso un materiale. Per dare un contesto, il gap di banda offerto dal GaN è di 3.4 eV, che, rispetto a 1.12 eV del Silicio, è notevolmente più ampio. Di conseguenza, il GaN può sostanzialmente gestire livelli di tensione più elevati rispetto al Silicio e può trasferire energia a velocità più elevate. Quando si tratta di sicurezza, il GaN riesce a ridurre meglio il calore dissipato rispetto al Silicio, il che amplia ulteriormente il campo per soluzioni di ricarica che possono ora essere sia rapide che sicure. In parole povere, ciò che questi vantaggi implicano è che il GaN può offrire velocità di elaborazione più rapide rispetto al Silicio, mantenendo un’efficienza energetica, un fattore di forma relativamente più piccolo e mantenendo i costi molto più bassi.

Una ragione dietro la diminuzione dei costi di produzione è legata al fatto che i componenti GaN utilizzeranno le stesse procedure di produzione del silicio che vengono utilizzate nella produzione di componenti basati sul Silicio esistenti. Tuttavia, a questo punto, potresti notare che i dispositivi GaN, ad esempio, gli adattatori di ricarica basati su GaN, sono attualmente prezzi leggermente più alti rispetto ai loro omologhi in Silicio. Questo è dovuto al fatto che il costo di produzione è sempre più elevato quando devi produrre componenti o dispositivi in piccole quantità, rispetto ai casi in cui la produzione avviene in grandi quantità, il che riduce significativamente il costo di produzione. Quindi, una volta che iniziamo a vedere un aumento nell’adozione del GaN in vari componenti elettronici e tecnologie correlate, il costo finale del prodotto finito sarà considerevolmente inferiore rispetto a quello delle offerte del Silicio.

Tuttavia, non si può dire che il GaN possa sostituire completamente il Silicio. Poiché, alla fine della giornata, si riduce allo scenario d’uso e ai requisiti di un sistema. Ad esempio, il GaN potrebbe non essere una scelta ideale per sistemi che, ad esempio, hanno limiti di temperatura bassa o non richiedono trasferimenti di energia più rapidi. E quindi, il Silicio sarà ancora rilevante in tali sistemi.

Dove è (e può essere) utilizzato il GaN?

La tecnologia GaN sta per assistere a un’immensa adozione nel settore della tecnologia di ricarica. Poiché gli smartphone spingono soluzioni di ricarica più veloci nelle loro ultime offerte e i clienti sembrano apprezzarle, ci stiamo avvicinando a un punto in cui sempre più produttori stanno cercando di adottare il GaN rispetto al Silicio. Questo significa ovviamente che i prossimi caricabatterie per i tuoi laptop, tablet o anche smartphone offriranno più potenza (~ 65W), caricheranno i dispositivi rapidamente e avranno una dimensione compatta, pur essendo anche sicuri da usare. Alcuni dei caricabatterie basati su GaN attualmente disponibili da produttori di accessori di terze parti includono quelli di marchi popolari come RAVPower, Aukey e Anker, per citarne alcuni.

Sebbene, attualmente, l’adozione del GaN non sia rivoluzionaria, sembra certamente promettente negli anni a venire. Per cominciare, puoi aspettarti che il GaN faccia lentamente il suo ingresso nel miglioramento e nell’avanzamento della rete 5G, che alcuni esperti suggeriscono possa aiutare meglio con le frequenze sub-6GHz e mmWave. Per non parlare della necessità di aumentare l’efficienza energetica della rete, che la tecnologia GaN sembra offrire meglio rispetto ai suoi omologhi. Sebbene l’uso del GaN per il 5G sia piuttosto vario, stiamo appena grattando la superficie in questa discussione. Tuttavia, vale la pena menzionare che il tipo di velocità di connessione e copertura che ci si aspetta con le reti 5G richiede qualcosa di simile a ciò che il GaN promette.

Allo stesso modo, un altro dominio in cui il potenziale del GaN può assistere con il miglioramento e l’avanzamento, e a sua volta, sostituire il Silicio, è nei componenti elettronici come transistor e amplificatori. Per non parlare dei dispositivi optoelettronici, inclusi i laser, i LED e alcuni altri dispositivi elettronici, che stanno vedendo molto potenziale nel GaN. Recentemente, i ricercatori hanno anche scoperto i potenziali vantaggi dell’uso del GaN nelle auto autonome, che si basano fortemente sul LiDAR (Light Detection and Ranging) per misurare le distanze tra diversi oggetti.

Cosa frena il GaN dal farsi strada nel mainstream?

Sebbene, in larga misura, la tecnologia GaN sembri sicuramente promettente quando si tratta di offrire più energia e velocità più rapide a costi ridotti e dimensioni compatte, ci sono ancora molte incertezze e complessità, che devono essere affrontate, che la trattengono dal sostituire il Silicio in vari settori. Il più grande di questi è legato alla sua adozione nello sviluppo di MOSFET che competono testa a testa, se non meglio, rispetto a quelli basati sul Silicio. Tuttavia, studi per trovare un modo per portare il GaN nella produzione di MOSFET e in altri campi sono stati condotti per il miglioramento del futuro della tecnologia negli ultimi anni. Quindi, non dovrebbe passare molto tempo prima che iniziamo a vedere il GaN farsi strada nei prodotti di consumo mainstream.