تکنولوژی شارژر GAN

تکنولوژی شارژر GaN از تکنولوژی‌های نوظهور در زمینه شارژرها است که به نسبت همتایان سیلیکونی خود قدرت بالا، حجم کم و کاهش تولید گرما را دارد. در این متن شما با تکنولوژی شارژر GaN و تاریخچه آن آشنا می‌شوید.

گالیم نیترید (GaN) چیست؟

ماده به کار رفته در تکنولوژی شارژر GaN گالیم نیترید است. با ترکیب گالیم (با عدد اتمی 31) و نیتروژن (با عدد اتمی 7)، نیترید گالیم یا نیترید گالیم (GaN) gallium nitride به دست می‌آید که یک ماده نیمه‌رسانا با پهنای باند گسترده و بسیار محکم بوده و همچنین ساختاری بلوری شش‌ضلعی دارد.

گپ یا فاصله باند (Bandgap) برای ترکیب‌های شیمیایی انرژی موردنیاز برای آزادسازی الکترون از مدار خود به دور هسته است و در ولتاژ 3.4 ولت، این مقدار برای گالیم نیترید بیش از سه برابر سیلیکون (تکنولوژی موجود در شارژرهای امروزی) است، بنابراین گپ‌باند گسترده‌ای دارد و WBG (wide bandgap) نامیده می‌شود.

ازآنجایی‌که باند پهن، میدان الکتریکی مورد تحمل یک ماده را تعیین می‌کند، این باند وسیع نیترید گالیم، امکان توسعه نیمه‌هادی‌هایی با مناطق تخلیه بسیار کوتاه یا باریک را فراهم می‌کند که منجر به ساخت دستگاه‌هایی با تراکم بسیار بالا می‌شود. با ترانزیستورهای بسیار کوچک‌تر و مسیرهای جریان کوتاه‌تر، در نهایت مقاومت و ظرفیت فوق‌العاده کمی به دست می‌آید که سرعت شارژ 100 برابر سریع‌تر را امکان‌پذیر می‌کند.

نتیجه نهایی این است که تکنولوژی شارژر GaN می‌تواند میدان‌های الکتریکی بزرگ‌تر را در مقایسه با سیلیکون معمولی کنترل کند و درعین‌حال سوئیچینگ بسیار سریع‌تر را ارائه دهد. علاوه بر این، شارژرهای مبتنی بر تکنولوژی شارژر GaN می‌توانند در دمای بسیار بالاتری از حداکثر تحمل نمونه‌های مبتنی بر سیلیکون کار کنند.

گالیم نیترید (GaN): تاریخچه و آینده

گالیم در طبیعت به شکل عنصر وجود ندارد. این ماده معمولاً به‌عنوان محصول جانبی از ذوب سنگ بوکسیت به آلومینیوم و از فرآوری سنگ اسفالریت برای روی به دست می‌آید؛ بنابراین، دارای ردپای کربن بسیار کمی در استخراج و تصفیه است.

سالانه بیش از 300 تن گالیم تولید می‌شود که ذخیره آن در سراسر جهان بیش از یک میلیون تن تخمین زده می‌شود. ازآنجاکه این ماده یک محصول فرعی است، هزینه آن نسبتاً کم است. هزینه آن در حدود 300 دلار در هر کیلوگرم، 200 برابر کمتر از طلا، و در کل در حدود 60 هزار دلار در کیلوگرم است.

وجود گالیم در سال 1871 توسط دیمیتری مندلیف پیش‌بینی شد و تنها چند سال بعد در پاریس در سال 1875 توسط دانشمند دیگری کشف شد که آن را به نام گالیای لاتین (گال) برای کشور زادگاه خود فرانسه نام‌گذاری کرد. در حالت خالص، نیترید گالیم فقط دارای دمای ذوب 30 درجه سانتی‌گراد (86 درجه فارنهایت) است، بنابراین اگر آن را در دستمان بگیریم در دمای طبیعی بدن انسان ذوب می‌شود.

تاریخچه‌ای مهم که باید بدانید

65 سال قبل از اولین تولید نیترید گالیم و تا دهه 1960 فیلم‌های تک بلوری نیترید گالیم تولید می‌شدند. اکنون، به‌عنوان یک ترکیب، نقطه ذوب GaN بیش از 1600 درجه سانتی‌گراد، یعنی 200 درجه سانتیگراد بالاتر از سیلیکون، است.

در سال 1972 LEDهای مبتنی بر GaN ایجاد شدند (با استفاده از نیترید گالیم ترکیب شده با منیزیم). این اتفاق نقطه عطف مهمی بود؛ زیرا گرچه در ابتدا مسیر تجاری‌سازی این محصول به‌اندازه کافی روشن نبود، اما این محصولات اولین LEDهایی بودند که می‌توانستند رنگ بنفش آبی را منتشر کنند. این روش برای تولید LEDهای آبی با روشنایی بالاتر در سال 1991 ثبت اختراع شده و دو سال بعد LEDهای آبی با روشنایی بالاتر به نمایش درآمدند.

در دسترس بودن LEDهای آبی با روشنایی بالا نقطه عطفی برای صنعت الکترونیک بود. با افزودن پوشش فسفر امکان ایجاد LEDهای سفید قابلیت جایگزینی لامپ‌های رشته‌ای ناکارآمد با این LEDهای خوش‌ساخت وجود داشت. با تولید LEDهای قرمز و سبز، سه رنگ اصلی برای نمایشگرهای ساخته شدند و نمایشگرها توانستند بر پایه LED کار کنند. از اولین تلویزیون‌های LCD با نور پس‌زمینه LED گرفته تا جدیدترین صفحه‌های OLED، این امر باعث ازبین‌رفتن کامل بازار مانیتور تلویزیون اشعه کاتدی (CRT) و همچنین ازبین‌رفتن ترانزیستور انحراف Si مربوط شد.

بنابراین نیترید گالیم فناوری توانمندی در پشت صفحه‌نمایش رنگی با وضوح بالا به وجود آورد که در تلویزیون، تلفن، تبلت، لپ‌تاپ و مانیتور حضور دارد. همچنین، GaN در لیزرهای آبی (به‌ویژه مواردی که برای خواندن دیسک در دستگاه‌های پخش Blu-Ray استفاده می‌شود) مستقر شده است.

تجاری شدن ترانزیستور GaN HEMT در سال 2004

حدود سال 2004 بود که اولین ترانزیستور GaN HEMT (ترانزیستور تحرک با الکترون بالا) به‌صورت تجاری در دسترس قرار گرفت. این موارد معمولاً در زیرساخت RF مورداستفاده قرار می‌گرفتند و به ولتاژ بالا برای عملکرد خود احتیاج داشتند. چند سال بعد، در سال 2008 ، شاهد توسعه GaF MOSFETها (تشکیل شده بر روی یک بستر سیلیکون) بودیم – اگرچه به دلیل پیچیدگی مدار و کمبود اجزای سیستم اکو با فرکانس بالا، زیاد قابل‌قبول نبود.

Navitas Semiconductor در سال 2014 با مأموریت ایجاد انقلابی در الکترونیک قدرت با تهیه ICهای برق GaN که می‌تواند مزایای فناوری فاصله باند گسترده (WBG) را به گسترده‌ترین کاربرد ممکن برساند، شکل گرفت.

در سال 2018 EETimes این شرکت را در رتبه‌بندی معتبر ‘Silicon 60’ خود انتخاب کرد و در سال 2019 فراست و سالیوان این شرکت را به دلیل دید منحصربه‌فرد و رویکرد سیستمی آن در زمینه شرکت‌های مطرح تولیدکننده سیستم‌های قدرت مبتنی بر GaN برای نسل جدید، شناختند.

همچنین در سال 2019، Navitas جایزه شانگهای Zhangjiang 895 و Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance “Innovation Star” را دریافت کرد و پس از آن در سال 2020 “جایزه تعالی نوآوری در طراحی نیمه‌هادی” از انجمن صنعت ارتباطات چین (CCIA) و جایزه Aspencore شرکت نوآور سال را از آن خود کرد.

در همان سال، این شرکت اعلام کرد که بیش از 100 ثبت اختراع برای تولید دستگاه‌ها و وسیله‌های کاربردی نیترید گالیم این شرکت صادر شده است.

ادامه شکوفایی با قدرت بالا

Navitas به توسعه محصولات خود از دسته ICهای قدرت GaNFast ادامه داده که برخلاف اکثر دستگاه‌های سیلیکونی و دستگاه‌های گسسته قبلی GaN، در بسته‌های QFN بسیار کوچک نصب می‌شوند تا مدارهای محافظ محدودکننده سرعت، اتلاف انرژی و مدارهای محافظ را از این دستگاه‌ها حذف کرده و منطقه مدارچاپی (PCB) را کوچک کنند. تا اول آوریل 2021، شرکت Navitas 182000000 عدد دستگاه‌های قدرت IC نیترید گالیم بدون هیچ خرابی ارسال کرده است.