A gallium-nitrid a jövő szilíciumja

Az Anker bemutatta új, apró teljesítménytégláját, és a vállalat a kis méretét a szilícium helyett használt összetevőnek, a gallium-nitridnek (GaN) tulajdonítja. Ez a legújabb példa arra, hogy egyre népszerűbb ez az átlátszó, üvegszerű anyag, amely egy napon kiszoríthatja a szilíciumot, és világszerte csökkentheti az energiafelhasználást.

A szilícium évtizedek óta a technológiai ipar gerincét képezi, de “lassan elérjük az elméleti határt, hogy mennyit lehet javítani rajta” – mondja Danqing Wang, a Harvard Egyetem doktorandusza, aki GaN-kutatásokat végez. Minden anyagnak van egy “sávhézaga”, amely azzal függ össze, hogy mennyire jól tudják vezetni az elektromosságot. A GaN sávhézaga szélesebb, mint a szilíciumé, ami azt jelenti, hogy nagyobb feszültséget képes elviselni, mint a szilícium, és az áram gyorsabban tud átfolyni az eszközön – mondja Martin Kuball, a Bristoli Egyetem fizikusa, aki a GaN teljesítményelektronikában való felhasználásával foglalkozó projektet vezeti. (A fenti videóban Kuball segít elmagyarázni a GaN-t, miközben a Verge Science csapata szétszedi az Anker új töltőjét.)

A GaN elektronika így sokkal hatékonyabb, mint szilíciumból készült társai, és kevesebb energiát veszít. “A dolgokat nagyon kicsivé lehet tenni, vagy több GaN-t lehet pakolni ugyanarra a területre” – mondja Wang. “A teljesítmény jobb.” És ha kevesebb energiát veszítünk, nemcsak a töltőeszközöket lehet kisebbre méretezni, hanem eleve kevesebb energiát is használhatunk. Kuball szerint az összes jelenlegi elektronika GaN-nel való helyettesítése potenciálisan 10 vagy 25 százalékkal csökkentheti az energiafelhasználást.

Plusz, mivel a GaN magasabb hőmérsékleten is képes túlélni, mint a szilícium, használata befolyásolhatja a bonyolultabb környezetben történő tervezést. Jelenleg egy autóban az elektronikát a motortól távolabb szerelik fel, hogy ne melegedjenek fel túlságosan, mondja Kuball. A GaN megszünteti ezt a korlátot, és olyan új lehetőségeket nyithat meg, amelyek megváltoztatják az autók tervezését a jövőben.

Az anyag már régóta meghatározó egy másik területen: a lézerekben és a fotonikában. A GaN egyike azon kevés anyagoknak, amelyek kék fényt bocsátanak ki; ezt használják a Blu-ray lemezekben, hogy lehetővé tegyék a lemezolvasást. Gyakran használják LED-ekben is. Wang csapata apró, mikron méretű GaN-lézereket készít – ami az emberi hajszál 1/100-a, és túl kicsi ahhoz, hogy szabad szemmel lássuk -, amelyeket mikroszkópokban lehet használni, hogy pontosabbá tegyék a kutatást.

A fotonikától eltekintve, miért nem cseréltük még le a szilíciumot GaN-re? “A szilícium nagyon kiforrott” – mondja Kuball. “Az emberek hozzászoktak, és már régóta csinálják ezt, és nyilvánvalóan azt tapasztaljuk, amikor egy új típusú anyagot vagy elektronikát vezetünk be, hogy folyamatosan tesztelni kell a megbízhatóságát”. Wang hozzáteszi, hogy a GaN sem tökéletes anyag, mert egyes termesztési módszerek olyan hibákat okozhatnak, amelyek miatt kevésbé hatékony.

De a szilíciumhoz már hozzászoktunk. Olcsó, és az összes gyártási technika már be van rá állítva. A GaN még mindig egy kicsit drágább. “Némi erőfeszítést igényel a gallium-nitridre való áttérés” – mondja Wang, bár rámutat, hogy néhányan keresik a gallium-nitrid kristályok szilíciumra történő növesztésének módjait abban a reményben, hogy kihasználják a meglévő gyártási platformok előnyeit. Az Anker a maga részéről azt mondja, hogy bár a GaN jelenleg drágább, mint a szilícium, a GaN töltőkhöz kevesebb alkatrészre van szükség, mint a szilícium töltőkhöz, ami versenyképessé teszi az árukat. A vállalat reméli, hogy a GaN anyagokat más alkatrészekben, többek között hordozható akkumulátorokban is felhasználhatja.

A nagy félvezetőgyártók, mint a Texas Instruments és a Nexperia, Kuball szerint rendelkeznek GaN kutatási programokkal, és a technológián dolgozó startupokból sincs hiány. Mégis, a GaN valódi hatását még nem láthatjuk a teljesítményelektronika területén. “Ezek a kis adapterek szép játékok, de ahol a GaN igazán számít majd, az az elektromos autókhoz és a fotovoltaikához használt átalakítókban lesz” – teszi hozzá Kuball. Addig is, “ez egy klassz kis dolog, hogy van valami kisebb.”

Forrás: 2019. február 12., 10AM ET:

Frissítve 2018. november 2-án, 9:20-kor: Ezt a bejegyzést frissítettük, hogy tartalmazza az Anker nyilatkozatát.