كيف يغير GaN مستقبل أشباه الموصلات

 كيف يغير GaN مستقبل أشباه الموصلات

يؤدي النقص العالمي في أشباه الموصلات إلى تأخير إنتاج كل شيء من الثلاجات وأجهزة الميكروويف إلى أجهزة الألعاب والهواتف الذكية. يقول الخبراء إن الأمر قد يستغرق شهورًا حتى تتعافى الصناعة ، لكن في الواقع ، النقص يغير الإلكترونيات الاستهلاكية إلى الأبد.
كانت الصناعة تعتمد على السيليكون منذ عقود ، لكن نقص الرقائق يساعد في جعل الأجهزة الإلكترونية أكثر صداقة للبيئة وأكثر كفاءة وأصغر. يتجه المزيد من الشركات إلى نيتريد الغاليوم (GaN) ، لأن إنتاجه أسهل وأسرع من رقائق السيليكون ، من بين فوائد أخرى.
تحدثت TechRadar Pro إلى ستيفن أوليفر ، نائب الرئيس للتسويق المؤسسي وعلاقات المستثمرين في Navitas Semiconductor ، لمعرفة كيفية تأثير النقص على الإلكترونيات الاستهلاكية وتحويل الصناعة بعيدًا عن السيليكون. توفر Navitas شرائح GaN لشركات مثل Anker و Aukey و Belkin و Dell و Hyper و Lenovo و OPPO و RAVPower و Verizon وعشرات الشركات الأخرى.
ها هي قائمتنا لأفضل أجهزة الكمبيوتر للأعمال في الوقت الحالي
لقد أنشأنا قائمة بأفضل أجهزة الكمبيوتر المحمولة المخصصة للأعمال
تحقق من قائمتنا لأفضل الأجهزة اللوحية للأعمال المتوفرة
ما هو GaN ولماذا هو مهم جدا؟
الجمع بين الغاليوم (العدد الذري 31) والنيتروجين (العدد الذري 7) ، نيتريد الغاليوم (GaN) هو مادة أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة مع بنية بلورية سداسية صلبة. فجوة الحزمة هي الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون من مداره حول النواة ، وعند 3.4 فولت ، تكون فجوة نطاق نيتريد الغاليوم أكثر من ثلاثة أضعاف السليكون ، وبالتالي فإن فجوة النطاق "واسعة" أو WBG.
نظرًا لأن فجوة النطاق تحدد المجال الكهربائي الذي يمكن للمادة أن تتحمله ، فإن فجوة النطاق الأوسع لنتريد الغاليوم تتيح تطوير أشباه موصلات ذات مناطق استنفاد قصيرة أو ضيقة جدًا ، مما يؤدي إلى هياكل جهاز ذات كثافة حاملة عالية جدًا. باستخدام ترانزستورات أصغر بكثير ومسارات تيار أقصر ، يتم تحقيق مقاومة وسعة منخفضة للغاية ، مما يتيح سرعات تصل إلى 100 مرة أسرع.
خلاصة القول هي أن تقنية GaN يمكنها التعامل مع مجالات كهربائية أكبر في شكل أصغر بكثير من السيليكون التقليدي مع توفير تحويل أسرع بشكل ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تعمل تقنيات GaN في درجات حرارة قصوى أعلى من نظيراتها القائمة على السيليكون.


تزداد أهمية GaN نظرًا لقدرتها على تقديم أداء محسّن بشكل كبير عبر مجموعة واسعة من التطبيقات مع تقليل الطاقة والمساحة المادية اللازمة لتقديم هذا الأداء عند مقارنتها بتقنيات السيليكون التقليدية. في بعض التطبيقات التي وصل فيها السيليكون كمنصة لتحويل الطاقة إلى حدوده المادية ، أصبحت تقنيات نيتريد الغاليوم ضرورية ، بينما في حالات أخرى تتحد فوائد الكفاءة وسرعة التبديل والحجم والتشغيل عالي الحرارة لجعل GaN جذابًا بشكل متزايد.
مع زيادة الحاجة العالمية للطاقة ، سيساعد الانتقال إلى تقنية GaN في تلبية الطلب مع الحفاظ على انبعاثات الكربون عند الحد الأدنى. في الواقع ، ثبت أن تصميم GaN وتكامله يوفران الجيل التالي من أشباه موصلات الطاقة مع بصمة كربونية أقل بعشر مرات من رقائق السيليكون الأقدم والأبطأ. لمزيد من الدعم لحالة GaN ، تشير التقديرات إلى أن ترقية مركز بيانات Si-to-GaN في جميع أنحاء العالم ستقلل من فقدان الطاقة بنسبة 30-40 ٪ ، وهو ما قد يترجم إلى توفير أكثر من 100 تيراوات في الساعة و 125 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بحلول عام 2030.
كيف يصنع الغاليوم؟
لا يوجد الغاليوم في شكل عنصري في الطبيعة. يتم اشتقاقه عادةً كمنتج ثانوي من صهر خام البوكسيت إلى الألومنيوم ومن معالجة خام السفاليرايت للزنك ، لذلك فهو يتمتع ببصمة كربونية منخفضة جدًا في الاستخراج والتنقية.
كم تكلفة الغاليوم؟
يتم إنتاج أكثر من 300 طن من الغاليوم كل عام ، مع أكثر من مليون طن من الاحتياطيات المقدرة في جميع أنحاء العالم. نظرًا لأنه منتج ثانوي للمعالجة ، فهو منخفض التكلفة نسبيًا ، بحوالي 300 دولار / كجم وهو أقل 200 مرة من الذهب ، عند حوالي 60،000 دولار / كجم.
أين يستخدم الجاليوم في الإلكترونيات؟
لطالما استخدم نيتريد الغاليوم في إنتاج مصابيح LED ومكونات التردد اللاسلكي ، ولكنه يتجه الآن إلى القبول السائد في عدد متزايد من تطبيقات تحويل الطاقة وتحويلها. هنا يمكن أن تلبي الدوائر المتكاملة المستندة إلى GaN مطالب تحسين أداء النظام وكفاءته ، وتوفير المساحة وتقديم عملية موثوقة في درجات حرارة أعلى.
داخل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، يتم إرسال إشارات GSM و Wi-Fi واستقبالها باستخدام أجهزة GaN RF ، بينما تشتمل أجهزة الشحن والمحولات التي تشغل هذه الأجهزة على GaN بشكل متزايد. في الواقع ، فإن أكبر سوق للطاقة GaN هو حاليًا في مجال الشحن السريع للأجهزة المحمولة حيث يمكن لـ GaN power ICs تمكين الشحن أسرع بثلاث مرات في المحولات التي يبلغ حجمها نصف حجم ووزن التصاميم البطيئة القائمة على السيليكون. علاوة على ذلك ، بالنسبة إلى أجهزة الشحن ذات الإخراج الفردي ، فإن أسعار إطلاق منتجات GaN للبيع بالتجزئة تبلغ حوالي نصف أسعار أجهزة الشحن السليكونية الأفضل في فئتها وأقل بثلاث مرات في حالة أجهزة الشحن متعددة المخرجات.
يتم أيضًا نشر أشباه موصلات الطاقة من نيتريد الغاليوم في خوادم مركز البيانات. مع تسارع حركة المرور في مركز البيانات ، فإن قدرة السيليكون على معالجة الطاقة بفعالية وكفاءة تصل إلى حواجز الطرق "المادية". نتيجة لذلك ، يتم تجاوز شريحة السيليكون القديمة والبطيئة بواسطة الدوائر المتكاملة عالية السرعة من نيتريد الغاليوم.
إن توحيد أجهزة مركز البيانات ، ونهج هندسة HVDC الجديد ، والموثوقية المثبتة للإنتاج الضخم ، و ICs المتكاملة للغاية لطاقة GaN تتيح تحسينات كبيرة في عدم الكفاءة. وبالتالي ، فإن نشر GaN يمثل خطوة أخرى نحو أهداف الكربون "Net-Zero" لصناعة مراكز البيانات.
في صناعة السيارات ، أصبح نيتريد الغاليوم التكنولوجيا المفضلة لتحويل الطاقة وشحن البطاريات في السيارات الهجينة والكهربائية. يمكن أيضًا العثور على منتجات الطاقة القائمة على GaN بشكل متزايد في العواكس التي تستخدمها منشآت الطاقة الشمسية وفي مخططات تحويل الطاقة لمحركات المحركات والتطبيقات الصناعية الأخرى.
لماذا لا يتأثر GaN بالنقص الحالي في الرقائق؟
يعتبر السيليكون سلعة ، لذلك يحتاج المصنعون إلى العمل بنسب تحميل عالية ، و 3 نوبات عمل ، و 24/7 لكسب المال ، مع فترات زمنية طويلة ، ونفقات رأسمالية عالية لزيادة السعة. من الصعب جدًا على مصنعي رقائق السيليكون البدء والتوقف (بسبب عدم اليقين من فيروس كوفيد) ، وهناك مرونة محدودة للغاية للتعافي من أي توقف
من ناحية أخرى ، فإن GaN لديها مهلة سريعة جدًا مدتها اثني عشر أسبوعًا مع سعة احتياطية للارتفاع بسرعة ، مقارنة بأكثر من 52 أسبوعًا لبعض أجهزة السيليكون. يمكن إنتاج GaN بشكل أكثر كفاءة من السيليكون وتكون عملية التصنيع أكثر مرونة مما يؤدي إلى عدم تأثر GaN مثل السيليكون.
هل سيكون GaN بديلاً عن السيليكون؟
نيتريد الغاليوم (GaN) عبارة عن مادة "ذات فجوة نطاق واسعة" (WBG) ، فجوة النطاق هي الطاقة المطلوبة لتحرير الإلكترون من مداره حول النواة والسماح له بالتحرك بحرية عبر المادة الصلبة. وهذا بدوره يحدد المجال الكهربائي الذي يمكن للمادة الصلبة أن تتحمله.
السليكون (Si) له فجوة نطاقية تبلغ 1.1 فولت ، بينما يحتوي الجاليوم على فجوة نطاق تبلغ 3.4 فولت. نظرًا لأن مادة WBG تسمح بمجالات كهربائية عالية ، يمكن أن تكون مناطق النضوب قصيرة جدًا أو ضيقة ، لذلك يمكن أن يكون لهياكل الجهاز كثافة حاملة أعلى ويمكن تعبئتها بكثافة شديدة.
على سبيل المثال ، يمكن أن يدعم ترانزستور GaN الجانبي النموذجي 650 فولت أكثر من 800 فولت وله منطقة انجراف تصريف تتراوح من 10 إلى 20 ميكرومتر ، أو حوالي 40-80 فولت / ميكرومتر. هذا أعلى بكثير من الحد النظري للسيليكون ، والذي يبلغ حوالي 20 فولت / ميكرومتر. ومع ذلك ، فإنه لا يزال أقل بكثير من حد فجوة النطاق البالغ حوالي 300 فولت / ميكرومتر ، مما يترك مجالًا كبيرًا للتحسينات الأجيال في أجهزة GaN الجانبية في المستقبل.
من حيث مستوى الجهاز ، يمكن أن يكون رقم الجدارة المشتق من ناتج المقاومة المقيسة (RDS (ON)) وشحنة البوابة (QG) أفضل من السيليكون بخمس مرات إلى عشرين مرة ، اعتمادًا على التنفيذ. من خلال تسهيل ترانزستورات أصغر بكثير ومسارات تيار أقصر ، يتم تحقيق مقاومة وسعة منخفضة للغاية وسرعات تبديل تصل إلى مائة مرة أسرع.
من أجل الاستفادة الكاملة من قدرة IC بطاقة GaN ، يجب أن تكون بقية الدائرة أيضًا قادرة على العمل بفعالية عند ترددات أعلى. في السنوات الأخيرة ، تم إدخال الدوائر المتكاملة للتحكم لجعل ترددات التحويل من 65-100 كيلو هرتز حتى 1 ميجا هرتز + ، مع وحدات تحكم جديدة قيد التطوير. يمكن أيضًا استخدام المتحكمات الدقيقة ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs) لتنفيذ طبولوجيا دوائر التبديل اللينة اليوم ، بينما تتوفر الآن مجموعة واسعة من المواد المغناطيسية التي تم تحسينها لنطاق 1-2 ميجا هرتز.
تجمع الدوائر المتكاملة لطاقة الجاليوم بين مزايا التردد والكثافة والكفاءة في طبولوجيا نصف الجسر مثل الارتداد النشط المشبكي وقطب الطوطم PFC و LLC. مع التغيير من طبولوجيا التبديل الثابت إلى طوب التبديل الناعم ، يمكن تقليل معادلة الخسارة العامة لـ FET الأساسي ، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة عند ترددات أعلى بـ 10 مرات.
تتم معالجة GaN باستخدام معدات CMOS 250-350 نانومتر لأحجام ميزات كبيرة نسبيًا لمعالجة الطاقة. تستخدم وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات السيليكون عند ~ 1 فولت - وتستخدم معدات معالجة فرعية 10 نانومتر للحصول على أحجام ميزات دقيقة جدًا للمعالجة الرقمية. لذلك - النقطة المثلى هي استخدام GaN لـ "تحويل الطاقة" والسيليكون لـ "معالجة البيانات".
ماذا يحمل المستقبل للجاليوم؟
مع أداء حطم الأرقام القياسية ، تعد الدوائر المتكاملة لطاقة نيتريد الغاليوم حافزًا لثورة ثانية في إلكترونيات الطاقة. يغطي GaN حاليًا نطاق جهد الجهاز من 80 إلى 900 فولت - مع عمل بحثي مستمر لخفضه وأعلى.

تعليقات