ما هي أجهزة شحن GaN وكيف يمكن لهذه المادة أن تحدث ثورة في مستقبل التكنولوجيا؟

17

يعمل GaN معنا منذ عدة عقود ولكنه الآن عندما نتحدث عن إمكاناته الهائلة في تصنيع أجهزة أكثر كفاءة. هل تعرف ما هو نيتريد الغاليوم؟ نقول لك.

معظم الدوائر الإلكترونية التي نستخدمها اليوم مصنوعة من السيليكون ، ولكن في الآونة الأخيرة ، أصبحت قدرة هذه المادة على الاستمرار في تقديم التحسينات التي ستحتاجها الصناعة في العقود القادمة موضع تساؤل.

يبدو السيليكون أقرب وأقرب إلى حده النظري ، وعند هذه النقطة لم يعد من الممكن استخدامه لمواصلة الامتثال لقانون مور الشهير ، وهو توقع من قبل المؤسس المشارك لشركة Intel ، جوردون مور ، الذي قال في عام 1975 أن عدد الترانزستورات على الشريحة سيتضاعف كل عامين. ظل هذا المبدأ يخدم أكثر من 50 عامًا ، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى صفات السيليكون ، ولكن من الممكن أن نبحث عن بدائل لأشباه الموصلات هذه ، ويمكن أن يكون أحدهم نيتريد الغاليوم أو الجاليوم.

إن نيتريد الغاليوم هو شبه موصل يتكون من سبيكة النيتروجين والجاليوم التي تشكل معًا مادة صلبة ومقاومة مع هيكل بلوري شفاف ، أي أنه ليس معتمًا مثل السيليكون. هذه المادة موجودة معنا منذ عقود ، ويتم استخدامها مؤخرًا لتصنيع أجهزة شحن أكثر كفاءة من تلك المصنوعة من السيليكون.

MicroLED

ما هو MicroLED ولماذا قد يصبح OLED قديمًا

MicroLED هي تقنية بسيطة للغاية يمكن فهمها ، على الرغم من أن اسمها قد يكون مضللًا ، لأنه في الواقع كان أول تطبيق لها هو إنشاء مئات من شاشات السينما. الآن ، تصل هذه التكنولوجيا إلى المنازل.

صفات GaN كانت مناسبة بشكل مثالي في التسعينيات لإنشاء نوى لمصابيح LED ذات الضوء الأزرق . تقنية تنتج ، مع الفوسفور الأصفر ، ضوءًا أبيض وتنتج الأضواء التي يمتلكها الكثير منا الآن في المنزل والتي تمثل توفيرًا كبيرًا في الطاقة. بعد هذا الاختراع ، ظهرت اختراعات أخرى ذات صلة مثل أجهزة قراءة Blu-ray أو شاشات LED أو مصابيح LED الصغيرة الجديدة.

من بين المزايا التي يوفرها نيتريد الغاليوم النطاق الممنوع (3.4eV ^ 2) والذي يزيد بمقدار ثلاثة أضعاف عن نطاق السيليكون (1.11eV ^ 2). يُطلق على الفصل بين شريط فالنسيا وشريط التوصيل اسم Bandgap أو النطاق المحظور ويحدد عرضه ما إذا كانت المادة موصلًا أم عازلًا أم شبه موصل.

يمكن للإلكترونات التي تحيط بنواة الذرات أن تتحرك في مدارات بمستويات طاقة مختلفة. إلكترونات التكافؤ هي تلك الموجودة في الغلاف الأخير ولديها إمكانية تكوين روابط مع ذرات أخرى. في هذا المستوى يطلق عليه نطاق فالنسيا والمدارات التي فوقها هي نطاق التوصيل ، والذي يسمح للإلكترونات بالتنقل بحرية بين الذرات ، موصلة للكهرباء.

في مواد أشباه الموصلات ، تُستخدم فجوة الحزمة كمفتاح لإنشاء دوائر منطقية. عند تطبيق الجهد ، ترتفع الإلكترونات إلى نطاق التوصيل وتنشط الدائرة. عند إزالة الإمكانات ، تسقط الإلكترونات في نطاق فالنسيا وتفتح الدائرة وتنطفئ. يسمح هذا بإنشاء دوائر منطقية ومعالجات دقيقة وما إلى ذلك باستخدام أشباه الموصلات …

حقيقة أن GaN لديها فجوة نطاق أكبر يمكن اعتباره عيبًا لأنه يحتاج إلى مزيد من الإمكانات لتنشيط الدوائر ، ومع ذلك ، فقد تبين أنه ميزة في كثير من النواحي. يسمح لـ GaN بالعمل في درجات حرارة أعلى من السيليكون ، مع إمكانات أقوى ومع أداء أفضل .

خاصية أخرى مثيرة للاهتمام لنتريد الغاليوم هي أن “ يخسر” بين 10٪ و 25٪ أنا للطاقة من السيليكون الحالي. كل هذه الصفات تجعل هذه المادة خيارًا مثيرًا للاهتمام للغاية للدوائر في أجهزة الطاقة: الشواحن ، البطاريات ، الألواح الشمسية.

شواحن GaN

قد تبدو مألوفة لك من خلال الأجهزة الأولى على مستوى السوق التي تُرى فيها فائدة نيتريد الغاليوم ، وهي أجهزة شحن. بالإضافة إلى جعلها أكثر قوة ، يلتزم المصنعون بإنشاء شواحن GaN أصغر من أي وقت مضى.

أطلقت شركات مثل Anker و RAVPower بالفعل نماذج بصلاحيات مختلفة تصل إلى 50 ٪ أصغر من السيليكون . من خلال الترويج لهذه التقنية ، يمكننا الانتقال من شواحن بهذا الحجم لتشمل الدائرة الكاملة في جسم القابس نفسه.

المحطة التالية: Venus

ومع ذلك ، فإن إمكانات GaN تفعل لا يقتصر على دوائر الطاقة أو أجهزة الإضاءة. من خلال القدرة على الانتقال بين الحالات المفتوحة / المغلقة بسرعة أعلى من السيليكون وقدرته على تحمل درجات حرارة عالية جدًا ، فإنه سيسمح بتصنيع معالجات دقيقة أصغر وأسرع تتكيف مع البيئات القاسية.

تعمل جامعة ولاية أريزونا (ASU) مع هذه المادة لإنشاء معالج دقيق لبعثات الفضاء المستقبلية. تريد ناسا استخدام نيتريد الغاليوم في المهمات حيث تكون درجة الحرارة عائقًا مثل سطح كوكب الزهرة أو عطارد حيث يمكن الوصول إلى درجات حرارة تبلغ 500 درجة مئوية .

ستؤدي كفاءة الطاقة هذه أيضًا إلى تقليل استهلاك الكهرباء لمراكز معالجة البيانات الكبيرة وتقليل احتياجات التبريد بشكل كبير. لسوء الحظ ، يقدر الباحثون المسؤولون عن مشروع HOTTech لوكالة ناسا أنهم سيحققون نتائج واعدة في غضون 10 سنوات.

السبب في ظهور GaN في قطاعات أخرى ، ولكن لا ينتهي من استبدال السيليكون في تصنيع المعالجات هو أن GaN عبارة عن بلورة غير كاملة تمامًا وفي عمليات التصنيع في تلك التي يتم استخدامها تكتشف الكثير أخطاء أكثر من السيليكون. يمكن أن تحتوي أشباه موصلات LED النموذجية على حوالي 100،000 عيب لكل سم 2 ، بينما تظهر بلورة السيليكون 100 عيب لكل سنتيمتر مربع.

عندما يتعلق الأمر إنتاج رقائق كبيرة يجب عليك بعد ذلك قطعها ومعالجتها في المعالجات ، يظل السيليكون مادة أكثر موثوقية ، على الأقل حتى يتم تصنيع نيتريد الغاليوم بشكل مثالي. علينا أن نأخذ في الاعتبار أن كان السيليكون يعمل في الحوسبة لمدة قرن ، بينما في عام 2000 ، لم يحصل أحد بعد على ركيزة GaN التي تحتوي على أقل من 1 مليار عيوب / سم 2.

بحلول الوقت الذي تقف فيه GaN وراء حجم الاستثمار والبحث والتطوير الذي كان للسيليكون طوال هذا الوقت ، قد نواجه مرشحًا حقيقيًا لإحداث ثورة في صناعة التكنولوجيا. وبحلول ذلك الوقت ، يمكن أن تكون النجوم الكبيرة هي أجهزة الكمبيوتر الكمومية و الإلكترونيات الضوئية التي تستخدم الفوتونات لنقل معلومة. خمن أي مادة من المواد المرشحة لتشكيل الرقائق اللازمة؟ نيتريد الغاليوم البلوري.