Когда Apple еще клали зарядки в свои iPhone все над ними смеялись! Ведь в коробку клали зарядник на 5 Ватт. А потом компания просто убрала зарядки из комплекта.
И честно говоря есть за что их пинать в этом плане. Например, к своим элегантным, тонким ноутбукам они кладут огромные зарядки. Это огромный кирпич!
А сейчас о зарядках вообще очень активно заговорили, как раз в свете того, что кампании, по примеру Apple начали убирать адаптеры из комплекта. Люди начали искать и нашли — оказывается рынок полон отличных зарядок.
Они меньше, дешевле, имеют много разъемов и умеют умно распределять мощность между девайсами. Уже выпускаются 100 Ваттные адаптеры с четырьмя портами, размером с кредитную карточку. Но почему-то везде на коробках написано GaN.
Что такое GaN? Где этот GaN и чем он отличается от того, что было раньше? Да и вообще, что было раньше? И главное — почему они такие маленькие и при этом мощные? Сейчас все вам расскажем!
Теория
Но начать надо как обычно с основ. Итак, самым главным материалом конца XX и начала XXI века является, без сомнений, кремний. Кремний — это материал, на котором основана вся современная микроэлектроника!
И что же сделало его таким особенным? Кремний — это полупроводник. С точки зрения проводимости тока — это некий промежуточный тип материала.
С одной стороны, у нас изоляторы — такие материалы как пластик, стекло или резина. С другой же — проводники, такие как, медь, алюминий, серебро. И в чем же между ними разница? Сейчас все просто объясним:
Вы ведь помните, что атом состоит из ядра и электронов, которые как бы летают вокруг него, практически как планеты вокруг солнца!
Так вот внешние электроны, которые расположены дальше всего от ядра и являются ключом к тому, почему все проводники легко проводят ток. Эти электроны фактически свободные, они не закреплены за своим ядром и способны спокойно бегать по материалу. А это и есть электрический ток.
В изоляторах же все ровно наоборот — электроны очень плотно, скажем так, прикреплены к своим ядрам, соответственно они не могут никуда деться. Нет движения электронов — нет тока!
А вот в полупроводниках все как бы посередине. Электроны сидят плотно в спокойном состоянии и материал выступает в качестве изолятора, но если приложить какую-то внешнюю энергию к системе, то материал начинает проводить ток.
Если вы слушали учителя на уроках физики, то там звучали такие термины как Валентная зона и Зона проводимости — так вот это они и есть.
Электроны в зоне проводимости — это те самые электроны, которые создают ток. Но вот для того, чтобы эти электроны оказались в зоне проводимости они должны перейти некий барьер, то есть получить энергию. Эта энергия называется запрещенной зоной и измеряется в электрон-вольтах.
Тут хорошей аналогией будет вокзал, где вы — это маленький электрон, а поезд — это зона проводимости. Если лестница на вокзал очень высокая и крутая, то вам будет очень тяжело подняться наверх и вы никуда не поедете — прямо как в изоляторе. Если лестницы нет совсем, то вы вообще сразу можете сесть на свой поезд и поехать дальше — то есть как в проводнике.
А вот если лестница есть, но небольшая, то вам для того чтобы уехать, надо по ней подняться немного — то есть приложить энергию, и тогда вы спокойно сможете уехать! Это и есть полупроводник.
Почему GaN?
Итак, мы поняли, что такое полупроводник и что такое запрещенная зона. Тут то и настала пора перейти к GaN или по-другому, к нитриду-галлия и объяснению почему он вдруг стал настолько популярным полупроводником.
Полупроводники бывают разные и величина запрещенной зоны в них разная. Можно сказать, что у них отличается, высота лестницы на вокзале!
Например, у кремния она около 1 электрон-вольта, а у нитрида-галлия в три раза больше — 3,4. Кстати, популярные полупроводники — это не только кремний и Нитрид Галлия. Есть еще Карбид Кремния, Арсенид галлия, которые уже успешно применяются в разных областях. А некоторые исследовательские группы пробуют использовать даже Алмаз в качестве основного полупроводника!
И здесь вы можете подумать, что большая запрещенная зона значит, что нам надо приложить больше энергии для того, чтобы переключить транзистор, а значит и они будут не такие энергоэффективные! В чем же тогда плюс? Большая запрещенная зона — это одновременно и плюс, и минус. Все зависит от области применения материала!
Во-первых, Нитрид из-за большей запрещенной зоны может работать при более высоких температурах! Ведь температура — это тоже энергия. Именно поэтому обычные процессоры на основе кремния требуют серьезного охлаждения, ведь они могут работать только до 100 градусов, а GaN-транзисторы спокойно работают при температурах даже выше 300 градусов!
Во-вторых, напряжение пробоя. Если на классический транзистор из кремния подать большое напряжения, то ток начнет течь через транзистор независимо от того открыт он или нет. То есть теряется возможность его контроля — это и есть пробой транзистора.
GaN-транзисторы же могут выдерживать большее напряжение, это значит, что они могут быть меньше в размерах! Именно это и делает зарядки на основе нитрида Галлия маленькими.
Кроме того, сопротивление материала меньше чем у Кремния, что приводит к тому, что материал меньше нагревается! Опять же — нет необходимости встраивать сложную, тяжелую и большую систему охлаждения!
Ну и наконец — время переключения транзистора сильно меньше, чем у Кремния. Все это делает его отличным кандидатом для, так называемой, силовой электроники!
Это огромная область, с которой каждый из нас сталкивается каждый день. Например, именно такие устройства занимаются тем, что выпрямляют переменный ток в постоянный или делают из 220 вольт в вашей розетке 1,2 вольта, которые необходимы для работы вашего процессора в компьютере! Проблема в том, что устройства основанные на классическом кремнии обычно теряют много энергии в процессе преобразования, в то время как нитрид-галлиевые девайсы, могут быть в десятки, а то и тысячи раз более эффективными при преобразовании! А значит и меньше в размерах.
Кстати, уже подсчитано, что если выполнить все микросхемы в зарядках на основе высокоэффективного Нитрида-Галлия, то телефонные блоки питания будут размером с простую вилку для розетки! А в теории всю систему преобразования можно будет поместить в маленький микрочип на печатной плате вашего телефона и ноутбука!
Почему не перейти полностью на GaN?
И тут вы справедливо спросите, а почему тогда не начать все делать на основе Нитрида Галлия, и даже процессоры, если он такой весь из себя успешный сын маминой подруги? Все, как обычно, не просто.
Производство самого материала — это сложный и дорогой процесс и главное — этот процесс не так хорошо отработан как для кремния. Вся индустрия построена только для работы с кремнием, а ее переход на GaN или любой другой материал будет просто необоснованно дорогим.
Но главная причина — в Нитриде гораздо больше дефектов в самой кристаллической структуре материала. На данный момент обычный кремний имеет в 100 раз меньше дефектов чем GaN.
А вы ведь помните, что мы уже пользуемся процессорами, построенными на 5 нм техпроцессе, и когда мы говорим о таких маленьких размерах любой дефект играет очень большую роль. Дальнейшая работа с материалом сложнее!
Но для производства устройств для области силовой электроники GaN почти идеальный кандидат. Это и открывает широченную область его применения!
Применение
И тут мы пришли к началу. Кроме зарядок есть множество других областей: например, электромобили, где на самом деле ожидается самое активное применение Нитрида Галлия, так как он может обеспечить более быструю зарядку машины и меньший размер самих элементов управления!
Ну и конечно он нашел себя в солнечных панелях и базовых станциях для LTE и 5G где он уже активно применяется!
Но есть и сумасшедшие проекты — чипы на основе нитрида галлия планирует использовать NASA в аппаратах, которые будут садиться на поверхность Венеры или Меркурия, где необходима работа оборудования при очень высоких температурах!
Вывод
В общем, вы поняли: Нитрид Галлия — это точно будущее наших с вами адаптеров питания. И я очень надеюсь, что уже скоро мы забудем об огромных 100-ваттных зарядках.
Мы уже можем иметь одну универсальную зарядку, которая подходит для всех портативных устройств, а возможно уже очень скоро она станет размером с вилку для розетки!
Видится будущее, где Нитрид Галлия — это основной материал для всего что связано с питанием и напряжениями до 900 Вольт, а кремний остается главным элементом во всех вычислительных частях наших девайсов, то есть в процессорах!
