Зарядки будущего. GaN - технология, позволяющая легко и быстро заряжать

Как работают быстрые зарядные устройства

У первых смартфонов были батареи, скорость зарядки которых была ограничена пятью ваттами. Производители сделали это, чтобы избежать перегрева батареи, что могло сократить срок ее службы или даже вызвать катастрофические сбои. Однако с появлением новых технологий аккумуляторы стали приобретать большую емкость в зависимости от количества удерживаемого заряда и энергии, которую они могут использовать для подзарядки. И, чтобы гарантировать, что они не потребляют слишком много энергии, что приводит к большему количеству тепла, производители внедрили внутреннюю схему, которая контролировала поток. Эта система знает, какое напряжение и силу тока может выдержать ее аккумулятор, и, таким образом, будет обмениваться данными с зарядным устройством. Телефон также может сообщить зарядному устройству тип используемого USB-кабеля, уровень заряда аккумулятора, а также некоторые другие детали.


По сути, современные зарядные устройства USB - это сами компьютеры. У них есть небольшие платы, которые обрабатывают информацию с вашего устройства, и они регулируют свой вывод по мере необходимости. Однако из-за этого требования зарядные устройства стали больше и тяжелее.


Секрет нитрида галлия



Здесь на помощь приходит нитрид галлия. Как вы, наверное, знаете, сегодня компьютеры сделаны из кремниевых чипов. Это произошло потому, что кремний - элемент в большом количестве, и с ним относительно легко работать. Это также отличный полупроводник из-за его регулируемых электрических свойств.


Однако нитрид галлия или GaN оказался более новой и лучшей альтернативой кремнию. Этот материал лучше проводит более высокое напряжение в течение более длительного времени по сравнению с кремнием. Электрические токи также проходят через него быстрее, что ускоряет обработку.


Эта лучшая проводимость приводит к более высокой эффективности. Это потому, что ему не нужно столько энергии, чтобы получить такой же выход по сравнению с кремниевыми транзисторами. Это также позволило производителям создавать чипы в более плотной и компактной форме, поскольку меньше энергии означает меньше тепла. Чипы GaN также обладают более высокой емкостью по напряжению и более устойчивы к нагреванию, что идеально подходит для приложений передачи энергии.


Все эти свойства делают GaN идеальным для технологий зарядки. Он может выдавать ту же мощность, что и кремниевые чипы, не занимая при этом столько места, выделять меньше тепла, несмотря на высокую мощность, и более энергоэффективен. Вот почему вы можете купить небольшие блоки питания из GaN, которые могут быстро заряжать несколько устройств, сохраняя при этом тот же размер, что и ваше стандартное зарядное устройство.


Помимо зарядки


Чипы GaN не ограничиваются технологиями зарядки. Фактически, в 1990-х годах GaN в основном использовался в светодиодах. Этот материал позволил разработать белые светодиоды и яркие светодиодные экраны, видимые при дневном свете. Проигрыватели Blu-ray также использовали его в качестве синего лазера на основе GaN. Этот лазер имел более короткую длину волны 405 нм, что позволяло ему считывать информацию ближе и с большей точностью. Вот почему диски Blu-ray могут содержать больше информации по сравнению с DVD. В беспроводных и радиочастотных инфраструктурах также используются чипы на основе GaN из-за их эффективной работы в средах с высоким напряжением. Вы можете найти его даже в электромобилях, благодаря их термостойкости. Чипы GaN также нашли применение в военных целях. С 2010 года они устанавливаются в активных радарах с антенной решеткой с электронным сканированием, что позволяет армии США использовать системы с большей мобильностью и меньшими затратами при меньшем количестве персонала. 


Почему у нас нет компьютеров с галлием (пока)


Одна из основных причин, по которой у нас пока нет компьютеров на основе галлия, - это стоимость. Хотя ожидается, что через несколько лет кремниевая технология достигнет теоретического предела своего развития, большая часть инфраструктуры микросхем основана на ней, что делает кремниевые микросхемы широко доступными. Такая распространенность делает его экономичным и простым в производстве. Поскольку он используется более 50 лет, это уже стандартная технология. На данный момент большинство производителей микросхем придерживаются кремния, потому что это то, что требует рынок. Кроме того, переход на чипы из GaN требует значительных инвестиций в новые конструкции, процессы и оборудование. Компаниям придется адаптировать свои системы, чтобы они могли работать как с кремнием, так и с материалом GaN. Помимо стоимости, производственные процессы GaN нуждаются в доработке. В 2000 году изготовленные кристаллы кремния имели всего сто или меньше дефектов на квадратный сантиметр. С другой стороны, в GaN было примерно в десять миллионов раз больше примесей. С тех пор он улучшился до более управляемого уровня, но по-прежнему не так эффективен в производстве по сравнению с кремнием. Тем не менее, поскольку все больше исследований и разработок проводится по нитриду галлия, мы можем ожидать, что его выход будет на уровне или даже лучше, чем у кремния.


Предел кремния

Что в конечном итоге подтолкнет к широкому распространению технологии GaN, так это кремниевый предел. В конце концов, наша технологическая тенденция основана на большей миниатюризации и эффективности. Например, когда-то компьютеры были машинами размером с комнату, в которых использовались колоссальные вакуумные лампы, для работы которых требовалось много энергии. Изобретение кремниевого полупроводника позволило нам разместить такую же мощность в микросхеме размером с ноготь. Вот почему ваши умные часы сегодня более мощные, чем бортовой компьютер Аполлона-11, который доставил первых людей на Луну в 1969 году. В 1965 году Гордон Мур, директор по исследованиям и разработкам Fairchild Semiconductor и будущий председатель Intel Corporation, сказал, что количество транзисторов на интегрированных микросхемах будет удваиваться каждые два года. Это предсказание в основном сбылось. В 1971 году в чипах было менее 5000 транзисторов. Но сегодня даже мобильные процессоры содержат более 10 миллиардов транзисторов. В новейших потребительских процессорах используется 5-нм транзистор, и мы ожидаем, что в 2024 году он сократится до 2-нм. Однако, хотя производители все еще находят способ миниатюризировать кремний, мы скоро достигнем его физических пределов. Атом кремния имеет размер около 0,2 нм, что делает нынешние транзисторы шириной около 25 атомов. 2-нм техпроцесс означает, что у нас будет только около десяти атомов кремния на транзистор. Если мы опустимся ниже этого значения, транзистор станет нестабильным, и его будет трудно контролировать.


Будущее за GaN

По этим причинам многие рассматривают GaN как будущую замену кремнию. Его свойства делают его примерно в тысячу раз более эффективным, чем кремний. Итак, если у вас 10-нм GaN, вы можете ожидать, что он будет более мощным, чем кремниевый чип такого же размера.


Поскольку кремний медленно, но верно достигнет своего максимального размера миниатюризации, технология GaN в конечном итоге захватит мир вычислений. Итак, внимательно присмотритесь к своему быстрому зарядному устройству GaN - потому что, скорее всего, именно таким будет будущее - компактным, эффективным и мощным.