گالیوم نیترید چیست؟ با آینده‌ی فناوری های شارژ سریع آشنا شوید

گالیوم نیترید یا GaN چیست؟

قبل از اینکه وارد مبحث تاثیر گالیوم نیترید در شارژرها شویم، بهتر است به سوال اصلی یعنی «گالیوم نیترید چیست» پاسخ دهیم و ببینیم با وجود این‌که قریب به صد سال پیش برای اولین بار استفاده شد، چرا جدیداً موضوع داغ و مهم حوزه تکنولوژی شده است.

گالیوم نیترید درست مثل سیلیکون یک ماده نیمه رسانا است که در تولید تراشه‌های دستگاه‌های الکترونیکی به کار می‌رود. در حالی که سیلیکون همچنان ماده اصلی برای تولید تراشه به شمار می‌رود، با گذر زمان و پیشرفت تکنولوژی محدودیت‌هایش امروزه به خوبی دیده می‌شوند و کار با آن سخت‌تر شده است. با حساس‌تر شدن رقابت بر سر تولید تراشه‌های کوچک‌تر، برخی از غول‌های فناوری به گالیوم نیترید یا به اختصار GaN، به عنوان بهترین کاندید برای جایگزینی سیلیکون نگاه می‌کنند.

به نظر می‌رسد در آینده‌ای نزدیک و در بسیاری از زمینه‌ها، سیلیکون تخت پادشاهی‌اش را تقدیم گالیوم نیترید خواهد کرد. چند دهه است که تولید کنندگان سیلیکون با موانع زیادی موقع بهبود ترانزیزستورهای سیلیکونی مواجه بوده اند. طبق قانون مور* تعداد ترانزیستورهای درون یک مدار سیلیکونی تقریبا هر 2 سال 2 برابر می‌شود.

قانون مور یا Moore’s Law یک قاعده است که براساس نام موسس شرکت Intel یعنی آقای گوردون مور نام گذاری شده است و می‌گوید که در پی افزایش تعداد ترانزیستورهای درون هر تراشه، سرعت و توانمندی کامپیوترها تقریبا هر دو سال دو برابر می‌شود. این قاعده در سال 1965 ایجاد شد و برای 50 سال صحت و اعتبار داشت اما بسیاری از تحلیل‌گران از جمله خود مور پیش بینی می‌کنند که قانون مور از سال 2025 کامل کنار گذاشته شود.

از گالیوم نیترید در زمینه‌های مختلفی استفاده می‌شود و خوبی‌های این فناوری را فراتر از نیاز کاربران به شارژ لپتاپ و گوشی‌های هوشمند می‌بینیم. برای نمونه در زمینه ماشین‌های برقی، انرژی‌های تجدید پذیر مثل تولید برق از نیروی بادی و خورشیدی، مصارف صنعتی و دیتاسنتر کمپانی‌های بزرگی همچون گوگل شاهد نقش پررنگ گالیوم نیترید هستیم.

در این مطلب توضیح می‌دهیم که گالیوم نیترید چیست و بیش از هرچیز به ویژگی‌های GaN در شارژرها و مقایسه آن با سیلیکون می‌پردازیم. پس با ما همراه باشید تا ببینیم فناوری گالیوم نیترید چگونه به شارژ باتری گوشی‌ها و لپتاپ‌هایمان کمک می‌کند.

فرق بین گالیوم نیترید و سیلیکون چیست؟

گالیوم نیترید رسانای بهتری است و اجازه می‌دهد از ولتاژهای بالاتر بدون مشکل موقع شارژ گوشی‌ها و لپتاپ‌ها استفاده شود. به عبارت دیگر جریان برق درون یک تراشه که از فناوری گالیوم نیترید ساخته شده، سریع‌تر از یک تراشه که از سیلیکون ساخته شده حرکت می‌کند که همین امر منجر به سرعت بیشتر در شارژ می‌شود.
اما موضوع به همینجا ختم نمی‌شود. کارآیی بیشتر شارژرهای GaN در انتقال نیرو، به این معنا است که انرژی کمتری به شکل حرارت هدر می‌رود. بنابراین مقدار بیشتری از برق مصرف شده وارد دستگاه شما می‌شود.

علاوه بر سرعت بیشتر در انتقال انرژی، این امر آسان‌تر و با اتلاف کمتری صورت می‌گیرد. به این معنا که اگر یک تراشه گالیوم نیترید و یک تراشه سیلیکون داشته باشیم و به اندازه یکسان به هر کدام انرژی بدهیم، تراشه گالیوم نیترید نیروی خروجی بیشتری ارائه می‌دهد. همین کاهش در اتلاف انرژی به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تراشه‌ها را کوچکتر بسازند؛ به حدی کوچکتر که برخی از شارژرهای لپتاپ که از گالیوم نیترید تولید شده اند، اندازه‌ای مشابه با شارژرهای موبایل دارند.

البته گاهی اوقات به جای کاهش اندازه، شرکت‌ها تصمیم می‌گیرند شارژرهای گالیوم نیترید را با همان اندازه سیلیکون بسازند؛ اما در عوض توانایی شارژ همزمان چند دستگاه به آن‌ها بدهند. علاوه بر آن، این مدل از شارژرهای فناوری گالیوم نیترید قادر به شارژ آسان دستگاه‌هایی که به وات بالا نیاز دارند (مثل مک بوک) هستند.

مزایای شارژ با شارژرهای فناوری گالیوم نیترید

برای شارژرهای گوشی و لپتاپ، استفاده از ولتاژ بالای GaN نه تنها امکان انتقال نیروی بیشتری را در مقایسه با سیلیکون فراهم می‌کند، بلکه این کار را با سرعت بیشتر و اتلاف کمتر انرژی انجام می‌دهد. از آن‌جایی که نیروی بیشتری از هر کدام از قطعات GaN عبور می‌کند، برخلاف سیلیکون نیاز به تعداد زیادی قطعه در ساخت تراشه نیست؛ بنابراین شارژرهای گالیوم نیترید به طور کلی اندازه کوچکتری دارند، در عین حال که عملکرد مشابه یا حتی بهتر ارائه می‌دهند. از مزایای دیگر می‌توان به سرعت بیشتر در شارژ بی‌سیم اشاره کرد.

این مزایا به مرور و با رواج یافتن استفاده از گالیوم نیترید، بهتر دیده خواهند شد. در حال حاضر سیلیکون ماده اصلی برای تولید تراشه است. تنها تعداد کمی از شرکت‌ها و در مقادیر پایین به GaN روی آورده اند. به همین دلیل است که تراشه‌های GaN گران‌تر از سیلیکون هستند. این درحالی است که به دلیل کارآیی بهتر و نیاز کمتر به مواد و هزینه‌های اضافه مثل هیت سینک (خنک کننده)، فیلتر و مدارهای اکتریکی، تولید شارژرهای گالیوم نیترید هزینه کمتری دارد.

کمپانی GaN Systems همانطور که از نامش پیداست، در زمینه تراشه‌های گالیوم نیترید تخصص دارد و جزو اصلی‌ترین بازیکنان این بازار تلقی می‌شود. این کمپانی تخمین می‌زند در هزینه‌های مواد اضافه‌ای که پیش‌تر به آنها اشاره کردیم، با کاهش 10 الی 20 درصدی مواجه هستند. با توجه به مزایای اقتصادی که تولید انبوه به همراه دارد، با آغاز تولید انبوه ممکن است این آمار حتی بهتر از قبل شود.

از آنجایی که کارآیی بهتر شارژرهای گالیوم نیترید منجر به اتلاف کمتر انرژی می‌شود، در یک بازه طولانی مدت با هزینه‌های کمتر در قبوض برق خود مواجه خواهید شد. البته با دستگاه‌های نسبتا کم مصرف مثل لپتاپ و گوشی‌های هوشمند انتظار تفاوت چشمگیر نداشته باشید.

چرا فناوری شارژ گالیوم نیترید برتر از سیلیکون است؟

تا الان راجع به مشخصات گالیوم نیترید و مزایای آن صحبت کردیم. حال خوب است دلیل برتری آن را از زبان برخی از کمپانی‌های معتبر که در این زمینه تخصص دارند بشنویم.

تمام مواد نیمه رسانا دارای چیزی به نام نوار ممنوعه یا بندگپ (bandgap) هستند که به صورت الکترون‌ولت (با نماد eV) اندازه گیری می‌شود. نوار ممنوعه به منطقه‌ای از طیف انرژی در یک جامد گفته می‌شود که در آن منطقه، هیچ الکترونی وجود ندارد. به بیان ساده، بندگپ نشان دهنده توانایی یک ماده جامد در رسانایی الکتریکی است. گالیوم نیترید نوار ممنوعه 3.4 الکترون‌ولت دارد در مقایسه با سیلیکون که تنها 1.12 الکترون‌ولت دارد. نوار ممنوعه بزرگ‌تر گالیوم نیترید به این معناست که می‌تواند از پس ولتاژهای بالاتر و دماهای بالاتر بر آید.

کمپانی GaN Systems

گالیوم نیترید 1000 برابر سیلیکون توانایی انتقال الکترون دارد و بهره برداری از آن با هزینه‌های کمتری مواجه است.

کمپانی EPC (Efficient Power Conversion)

خلاصه بگوییم، تراشه‌هایی که از گالیوم نیترید تولید می‌شوند، سریع‌تر، کوچک‌تر، ارزان‌تر (در آینده) و پر بازده‌تر از شارژرهایی هستند که از سیلیکون تولید می‌شوند.

نمونه‌هایی از شارژرهای گالیوم نیترید

در حالی که استفاده از فناوری GaN برای ساخت شارژر هنوز رایج نیست، تعدادی از شرکت‌ها از جمله Anker و RAVPower شروع به تولید شارژرهای گالیوم نیترید کرده اند که به خوبی از پس شارژ انواع وسایل برقی مثل گوشی‌، تبلت و لپتاپ بر می‌آیند.

• شارژر Anker PowerPort Atom PD 1 نمونه‌ای عالی برای نشان دادن سایز کوچک و در عین حال سرعت بالای شارژرهای GaN می‌باشد. با ابعاد تقریبی 4 در 4.5 در 3.8 سانتی‌متر، حدود 40 درصد کوچکتر از شارژرهای سیلیکونی است. این شارژر با توان خروجی 30 وات می‌تواند تمام گوشی‌های هوشمند USB-C، تبلت، لپتاپ و محصولات اپل را با سرعت بالا شارژ کند.

• شارژر Anker PowerPort Atom PD 2 مثل مدل قبلی است اما با این تفاوت که با توان خروجی 60 وات از پس شارژ همزمان 2 دستگاه USB-C بر می‌آید.

• شارژر Anker PowerPort Atom III Slim با مشخصاتی شبیه به دو مدل قبلی،‌ 4 عدد پورت USB-C دارد و مخصوص کسانی می‌باشد که نیاز به شارژ تعداد زیادی دستگاه به صورت همزمان دارند.

• شرکت راو پاور لاین آپی مشابه انکر در اختیار کاربران گذاشته است. شارژر PD Pioneer 30W با تنها یک پورت USB-C، سرعت شارژ خوبی ارائه می‌دهد. شارژر بزرگ‌تر اما سریع‌تر PD Pioneer 61W دو پورت USB-C دارد. برای کسانی که دنبال توان بیشتر هستند، شارژر RAVPower USB-C 45W برای شارژ یک مک بوک 12 اینچی تنها 2 ساعت زمان نیاز دارد. همچنین سنسور هوشمندش بر اساس نیروی مورد نیاز دستگاه متصل، از میان 5 سطح نیروی خروجی انتخاب می‌کند.

• شارژر Zendure Passport GO مخصوص مسافران ساخته شده چرا که داخل بیش از 200 کشور دنیا بدون مشکل عمل می‌کند و با توان خروجی 30 وات، می‌تواند همزمان 5 دستگاه را شارژ کند؛ این شامل یک پورت AC، یک پورت USB-C و 3 پورت USB-A می‌شود. جالب است بدانید ورژن قبلی این شارژر در سال 2017 به خاطر طراحی هوشمندانه‌اش برنده جایزه شد.

جمع بندی: هدف از شارژرهای گالیوم نیترید چیست؟

امروزه تقریبا تمام دستگاه‌های هوشمند از گوشی گرفته تا تبلت و لپتاپ، همگی از USB-C برای شارژ استفاده می‌کند. پس با توجه به همه گیر شدن USB-C، فناوری گالیوم نیترید به کمک ما آمده تا شارژرهای بسیار سریع اما در عین حال کوچک (و ارزان) در اختیارمان قرار دهد که معمولا قادر به شارژ همزمان چندین دستگاه هستند. این شارژرها ایستگاهی آسان و بدون دردسر برای رفع تمام نیازهای شارژ کاربران تلقی می‌شوند. با وجود اینکه در حال حاضر رواج بسیاری ندارند اما بدون شک آینده‌ی شارژرها درون فناوری گالیوم نیترید نهفته است.

منابع: HowToGeek | AppleInsider