گالیم نیترید چیست و چه نقشی در دنیای فناوری ایفا می کند؟

گالیم نیترید از مواد نیمه‌هادی مهم محسوب می‌شود که به‌مرور نفوذ خود را در دنیای گوشی‌های هوشمند و دیگر گجت‌ها افزایش می‌دهد.

شاید تاکنون نام گالیم نیترید (GaN) را نشنیده باشید؛ اما این ماده با سرعت زیادی به فناوری مهمی در دنیای گوشی‌های هوشمند تبدیل می‌شود. گالیم نیترید از نیمه‌هادی‌های مهم نسل بعدی محسوب می‌شود که احتمالا در شارژرهای آینده یا حتی آنتن‌های مخابراتی 5G کاربرد خواهد داشت. شرکت‌هایی همچون GV که قبلا به‌نام Google Ventures شناخته می‌شد، سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی در حوزه‌ی تحقیقات درزمینه‌ی گالیم نیترید کرده‌اند و ظاهرا نتیجه‌ی آن را به‌زودی مشاهده می‌کنند. درادامه‌ی این مطلب دیجیتال، به خصوصیت‌ها و قابلیت‌های نیمه‌هادی گالیم نیترید در دنیای فناوری اشاره خواهیم کرد.

گالیم نیترید چیست و چه خصوصیاتی دارد؟

گالیم نیترید ترکیب شیمیاییی با خاصیت‌های نیمه‌هادی است که تحقیقات درباره‌ی آن از دهه‌‌ی ۱۹۹۰ شروع شد. از قطعات الکترونیکی که با استفاده از گالیم نیترید ساخته می‌شدند، می‌توان به دیود، ترانزیستور، آمپلی‌فایر و قطعات مشابه اشاره کرد؛ درنتیجه این ماده را می‌توان در خانواده‌‌ای یکسان با سیلیکون قرار داد که امروزه به‌عنوان مشهورترین نیمه‌هادی جهان شناخته می‌شود. گالیم نیترید به‌‌دلیل نوار ممنوعه بزرگ‌تر، مزیت‌هایی درمقایسه‌با سیلیکون دارد. نوار ممنوعه دشواری نفوذ و عبور انرژی را از میان ماده اندازه‌گیری می‌کند.

از خصوصیات GaN می‌توان به محدودیت‌های دمایی بیشتر و ظرفیت‌های بیشتر در تحمل نیرو و هزار برابر جابه‌جایی بیشتر الکترون درمقایسه‌با سیلکون اشاره کرد. البته گالیم نیترید با وجود تمام مزیت‌ها، جایگزین مستقیم مناسبی برای ترانزیستورهای سیلیکونی نیست که در کاربردهای امروزی گجت‌ها با انرژی و قدرت کم استفاده می‌شوند. درواقع، بازدهی نیروی گالیم نیترید بیشتر در موقعیت‌هایی با مصرف نیروی زیاد دیده می‌شود که نوارممنوعه بین 3.4eV و 1.1eV اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

یکی از کاربردهای اصلی که اهمیت و مزیت گالیم نیترید را نشان می‌دهد، در آنتن‌های رادیویی 5G و فناوری‌های تأمین نیرو مانند لوازم جانبی شارژ فوق‌سریع است. نکته‌ی مهم این است که در مساحت کوچک GaN بازدهی نیرو و دمایی بهتری درمقایسه‌با قطعات سیلیکونی ارائه می‌دهد.

شارژرهای گالیم نیترید

کاربران دنیای گوشی‌های هوشمند با فناوری‌هایی همچون شارژ سریع آشنا هستند. امروزه، شارژرهای ۳۰ تا ۴۰ واتی به لوازم جانبی مرسومی در دنیای گوشی‌های هوشمند تبدیل شده‌اند و برخی شرکت‌ها نیز تولید و توزیع شارژرهای ۶۰ واتی را نیز در دستورکار قرار داده‌اند. اگرچه چنین شارژرهایی هنوز به ابعاد غول‌پیکر و بسیار بزرگ نرسیده‌اند، به‌هرحال بزرگ هستند و درمقایسه‌با نمونه‌هایی با قدرت شارژ کمتر، هدررفت گرمایی بیشتری دارند.

تغییر مسیر به‌سمت شارژرهای گالیم نیتریدی ابعاد شارژرها را کاهش خواهد داد و فرایند شارژ خنک‌تر و امن‌تری به‌همراه خواهد داشت. درواقع، نیروی برق با استفاده از مواد گالیم نیتریدی با سرعت و بازدهی بیشتری از شارژر به دستگاه منتقل می‌شود. چنین روندی در دستگاه‌هایی با مصرف برق بیشتر نیز رخ می‌دهد. به‌عنوان مثال، لپ‌تاپ‌ها درمقایسه‌با گوشی‌های هوشمند به نیروی بیشتری نیاز دارند و همیشه آداپتورهایی با ابعاد بسیار بزرگ همراه‌با آن‌ها عرضه می‌شود. GaN امکان استفاده از شارژرهای کوچک‌تر را در لپ‌تاپ و دیگر محصولات نیازمند برق زیاد ممکن می‌کند.

به‌عنوان مثالی از شارژرهای گالیم نیتریدی، می‌توان به محصول جدید بلکین اشاره کرد که ۴۰ درصد بازدهی مصرف برق بیشتر به‌همراه دارد. شارژرهای جدید در انواع ۳۰ و ۶۰ و ۶۸ واتی برای لپ‌تاپ‌ها عرضه می‌شوند و فرم‌فاکتوری نه‌چندان بزرگ‌تر از شارژرهای عادی با مصرف کمتر دارند. انکر هم با شارژرهای PowerPort Atom به دنیای گالیم نیترید وارد شده و مدلی با قدرت شارژ ۶۰ وات ارائه می‌کند. از فعالان دیگر می‌توان به Aukey اشاره کرد که شارژرهای گالیم نیترید را با برند Omnia عرضه می‌کند.

با استفاده از گالیم نیترید در شارژرهای لپ‌تاپ، می‌توان ابعاد آن‌ها را به‌میزان قابل‌توجهی کاهش داد. البته فناوری جدید قیمتی بیش از مواد نیمه‌هادی سنتی دارد و نمی‌توان در آینده‌ی نزدیک شاهد ورود تولیدکنندگان زیادی به حوزه‌ی شارژرهای گالیم نیترید بود.

گالیم نیترید و 5G

گالیم نیترید در برطرف‌کردن مشکلات پیش‌ روی فناوری بی‌سیم 5G کاربردهای زیادی دارد. دسترسی به پهنای باند در فرکانس‌های بیشتر به نیرو و گرمای بیشتر احتیاج دارد که GaN عملکردی عالی در آن خواهد داشت. همان‌طورکه گفتیم، حرکت الکترون‌ها در گالیم نیترید بیشتر از ترکیب‌های مبتنی‌بر سیلیکون است. همین خصوصیت آن را برای کاربردهای امواج کمتر از ۶ گیگاهرتز و حتی فرکانس‌های mmWave مناسب می‌کند که فراتر از ۱۰ تا ۱۰۰ گیگاهرتز هستند. به همه‌ی موارد مذکور، بازدهی‌های درخورتوجه نیرو و گرما را نیز اضافه کنید و درنتیجه، گالیم نیترید در رفع نیاز ایستگاه‌های 5G برتری زیادی درمقایسه‌با سیلیکون خواهد داشت.

قطعات الکترونیکی GaN مانند تقویت‌‌کننده‌های نیرو یا آنتن‌های رادیویی را می‌توان در دستگاه‌های متنوع 5G استفاده کرد. از میان دستگاه‌ها می‌توان به ایستگاه‌های رادیویی مایکروسل اشاره کرد که از ابعاد کوچک‌تر قطعات گالیم نیتریدی بهره می‌برند. افزون‌براین، ترانسمیترهای بزرگ که هدررفت گرمایی در آن‌‌ها بسیار اهمیت دارد، امکان بهره‌مندی از مزایای گالیم نیترید را دارند. به‌هرحال، GaN یکی از مواد مهم در توسعه‌ی انواع فناوری‌های شبکه‌ی 5G محسوب می‌شود.

درنهایت باید بگوییم استفاده از گالیم نیترید دو ضعف بزرگ دارد: هزینه‌ی زیاد و ناآشنابودن بازار مانع از توسعه‌ی کافی فناوری و به‌کارگیری آن می‌شود. تحقیقات کاربردی روز‌به‌روز مقرون‌به‌صرفه‌بودن گالیم نیترید را بیشتر نشان می‌دهند؛ اما هنوز مزایای اصلی ترکیب مذکور فقط در فناوری‌هایی با فرکانس زیاد مانند 5G موج میلی‌متری (millimeter-wave) ذکر می‌شود. ناگفته نماند در زمان ورود GaN به فناوری 5G نیز رقابت شدیدی ازلحاظ مقیاس‌پذیری اقتصادی با سیلیکون روی خواهد داد.

گالیم نیترید با وجود محدودیت‌های کنونی و قیمت هنگفت، نقش مهمی در فناوری‌های آتی 5G ایفا خواهد کرد. به‌علاوه، لوازم جانبی گوشی‌های هوشمند مانند شارژرها در آینده‌ی نه‌چندان دور، بیش‌ازپیش با گالیم نیترید ساخته خواهند شد. شاید زمانی خرید چنین شارژرهایی هم مقرون‌به‌صرفه شود؛ پس در خرید شارژر بعدی، نگاهی به نمونه‌های GaN هم بیندازید.