Объяснение: GaN (нитрид галлия) и будущее технологий, которые он хранит

За последние несколько десятилетий в области технологий наблюдается рост популярности решений для быстрой зарядки. Будь то смартфон, планшет или даже ноутбук, быстрые зарядные устройства начинают становиться повсеместными. Хотя все эти предложения основаны на кремнии, основная технология начинает эволюционировать в нечто более мощное, эффективное и компактное. Все это сильно зависит от GaN (нитрида галлия), полупроводникового материала, который появился еще в 90-х годах и с тех пор постоянно исследуется и рассматривается как потенциальная замена кремнию — не говоря уже о том, что это способ достичь более мощных и эффективных систем с меньшими размерами. Чтобы лучше понять, что такое GaN и как он потенциально хранит будущее технологий в ближайшие годы, вот объяснение.

Эра кремния

Краткий обзор текущего состояния технологий: с момента появления сложных вычислительных систем основная технология, лежащая в их основе, постепенно претерпела изменения и усовершенствования, которые привели современную вычислительную мощность к тому, чем она является сегодня — обладая превосходством для разнообразных требований.

В настоящее время большинство людей осведомлены о том, что основным элементом современных систем, будь то компьютеры, смартфоны или другие современные электронные устройства, является кремний (Si). Полупроводниковый материал, который заменил решения предыдущих поколений, такие как вакуумные лампы, благодаря своим превосходным электрическим свойствам. Хотя в большинстве случаев большинство схем, материнских плат и других электронных компонентов, найденных в различных устройствах, используют кремний в своей основе, когда-то популярный материал теперь приближается к своей точке насыщения.

Для тех, кто не в курсе, закон Мура, который предполагает, что количество транзисторов на чипе удваивается каждые два года (в то время как стоимость уменьшается вдвое), и точно описывает рост современной вычислительной техники, близок к своему завершению. Что это, по сути, означает, так это то, что в настоящее время компьютерные ученые, похоже, достигли потенциальных пределов кремния (особенно с кремниевыми MOSFET), где не представляется возможным внести значительные усовершенствования и улучшения или соответствовать закону Мура. Однако многолетний поиск альтернативы кремнию, которая не только на уровне, но и превосходит его в некоторых случаях, привел к открытию нового полупроводникового материала, GaN или нитрида галлия.

Что такое GaN и какие преимущества он имеет перед кремнием?

GaN или нитрид галлия — это химическое соединение, обладающее полупроводниковыми свойствами, исследования которого восходят к 90-м годам. В этот период соединение начало свой путь в электронные компоненты с LED, а позже нашло свое применение в Blu-ray плеерах. С тех пор GaN нашел свое применение в производстве транзисторов, диодов и нескольких других компонентов. И, следовательно, судя по всему, материал, похоже, приближается к замене кремния в различных вертикалях.

Одним из отличительных (и самых важных) факторов, который отделяет GaN от кремния, является более широкий запрещенный энергетический диапазон, который прямо пропорционален тому, насколько хорошо электричество проходит через материал. Чтобы дать некоторый контекст, запрещенный диапазон, предлагаемый GaN, составляет 3.4 эВ, что, по сравнению с 1.12 эВ кремния, заметно шире. В результате GaN может выдерживать более высокие уровни напряжения, чем кремний, и может передавать энергию на более высоких скоростях. Когда дело доходит до безопасности, GaN лучше справляется с рассеиванием тепла, чем кремний, что еще больше расширяет возможности для зарядных решений, которые теперь могут быть как быстрыми, так и безопасными. Проще говоря, что эти преимущества подразумевают, так это то, что GaN может предложить более высокие скорости обработки по сравнению с кремнием, оставаясь при этом энергоэффективным, сохраняя относительно меньший форм-фактор и снижая стоимость.

Причина снижения производственных затрат связана с тем, что компоненты GaN будут использовать те же производственные процедуры кремния, которые используются для производства существующих кремниевых компонентов. Хотя в данный момент вы можете заметить, что устройства GaN, например, адаптеры зарядки на основе GaN, в настоящее время стоят немного дороже своих кремниевых аналогов. Это связано с тем, что стоимость производства всегда выше, когда вам нужно производить компоненты или устройства в небольших количествах, в отличие от случаев, когда производство происходит оптом, что значительно снижает стоимость производства. Таким образом, как только мы начнем видеть рост популярности GaN в различных электронных компонентах и связанных технологиях, конечная стоимость конечного продукта будет значительно ниже, чем у предложений кремния.

Однако это не означает, что GaN может полностью заменить кремний. В конце концов, все сводится к сценариям использования и требованиям системы. Например, GaN может не быть идеальным выбором для систем, которые, скажем, имеют низкие температурные пределы или не требуют более быстрых передач энергии. И поэтому кремний все еще будет актуален в таких системах.

Где используется (и может быть) GaN?

Технология GaN вскоре станет свидетелем огромного принятия в области зарядных технологий. Поскольку смартфоны предлагают решения для быстрой зарядки в своих последних предложениях, и клиенты, похоже, ценят их, мы приближаемся к моменту, когда все больше производителей стремятся принять GaN вместо кремния. Это, очевидно, означает, что предстоящие зарядные устройства для ваших ноутбуков, планшетов или даже смартфонов будут предлагать больше мощности (~ 65 Вт), быстро заряжать устройства и иметь компактный размер, при этом оставаясь безопасными в использовании. Некоторые из зарядных устройств на основе GaN, которые в настоящее время доступны от сторонних производителей аксессуаров, включают устройства от популярных брендов, таких как RAVPower, Aukey и Anker, чтобы назвать несколько.

Хотя в настоящее время принятие GaN не является прорывным, оно определенно выглядит многообещающим в предстоящие годы. Для начала вы можете ожидать, что GaN медленно войдет в развитие и улучшение сети 5G, которая, по мнению некоторых экспертов, может лучше справляться с частотами ниже 6 ГГц и мм-волнами. Не говоря уже о необходимости повысить энергоэффективность сети, которую технология GaN, похоже, предлагает лучше, чем ее аналоги. Хотя область применения GaN для 5G довольно разнообразна, мы едва касаемся поверхности в этом обсуждении. Однако стоит упомянуть, что такие скорости соединения и покрытие, которые ожидаются с сетями 5G, требуют чего-то подобного тому, что обещает GaN.

Аналогично, еще одной областью, в которой потенциал GaN может помочь с улучшением и развитием, и, в свою очередь, заменить кремний, являются электронные компоненты, такие как транзисторы и усилители. Не говоря уже о оптоэлектронных устройствах, включая лазеры, LED и несколько других электронных устройств, которые видят много потенциала в GaN. В последнее время исследователи также обнаружили потенциальные преимущества использования GaN в автономных автомобилях, которые сильно полагаются на LiDAR (лазерное обнаружение и измерение расстояний) для измерения расстояний между различными объектами.

Что сдерживает GaN от выхода на массовый рынок?

Хотя в значительной степени технология GaN, безусловно, выглядит многообещающей, когда речь идет о предложении большей энергии и более быстрых скоростей по сниженной стоимости и компактному размеру, все еще существует много неопределенностей и сложностей, которые необходимо решить, которые сдерживают ее от замены кремния в различных вертикалях. Самая большая из них связана с ее принятием в разработке MOSFET, которые конкурируют на равных, если не лучше, чем те, которые основаны на кремнии. Однако исследования по поиску способов внедрения GaN в производство MOSFET и других областей проводятся на протяжении последних нескольких лет для улучшения будущего технологий. Так что не должно пройти много времени, прежде чем мы начнем видеть, как GaN проникает в массовые потребительские продукты.