GaN nabíjačky: Prečo prekonávajú kremíkové?

ZDROJ | Cicig

Gálium-nitrid (GaN) nie je neznámy polovodičový materiál, ale kvôli náročnejšej výrobe a hlavne kvôli unikátnym vlastnostiam bol, podobne ako gálium-arzenid (GaAs), dlho využívaný hlavne v zariadeniach určených pre armádu a ďalšie „špeciálne“ odvetvia.

Svitá však na lepšie časy a výhody GaN tranzistorov a ďalších komponentov si budeme môcť čoraz viac užívať aj v civile. V prvom slede to budú gálium-nitridové nabíjačky, ktoré sa už na trhu objavovujú. V čom sú iné, ako tie kremíkové?

Pozrite siPrinesie nitrid gália novú elektroniku?

Od 80. rokov používala väčšina nabíjačiek batérií kremíkové komponenty – diódy a neskôr aj tranzistory a ďalšie spínacie prvky (tyristory, triaky). Kremíkové tranzistory sú lacné a majú dobré elektrické parametre, preto priniesli do technológie nabíjačiek veľký pokrok. Kremík však má svoje limity a po rokoch vývoja sme k nim už pravdepodobne dospeli. GaN komponenty umožňujú konštruovať rozmerovo menšie nabíjačky, ktoré sú však napriek tomu výkonnejšie, ako tie kremíkové.

V silovej elektronike zohrali kľúčovú úlohu výkonové tranzistory MOSFET na báze kremíka. (MOSFET je skratka pre metal-oxid-semiconductor-field-effect-transistor, teda poľom riadený tranzistor s hradlom izolovaným vrstvou oxidu.)

ZDROJ | Neway

Rovnako ako elektrónky, aj kremíkové výkonové MOSFET tranzistory dosiahli svoj zenit a zdá sa, že už máme kandidáta, ktorý bude pokračovať v „nekonečnom“ zlepšovaní parametrov. Polovodiče na báze nitridu gália ponúkajú lepší výkon, vysokú rýchlosť prepínania, nižší elektrický odpor a vyššiu tepelnú vodivosť. Uplatnia sa tak v tranzistoroch, ako aj v integrovaných obvodoch.

Gálium-nitrid je schopný viesť elektróny viac ako 1 000-krát účinnejšie ako kremík, pričom sa dá vyrobiť za podobné, či dokonca nižšie náklady.

ZDROJ | EPC

Kryštály nitridu gália sa dajú pestovať na rôznych substrátoch vrátane kremíka a SiC. To umožňuje využiť existujúcu infraštruktúru na výrobu kremíka a ľahko dostupné kremíkové doštičky s veľkým priemerom pri nízkych nákladoch. Keďže nové komponenty sú oveľa menšie ako kremíkové súčiastky, je možné vyrobiť oveľa viac GaN zariadení (čipov) na doštičke. To umožní, aby výroba GaN zariadení bola lacnejšia ako v prípade kremíkových verzií.

Štruktúra výkonového tranzistora GaN FETZDROJ | EPC

Podstatný rozdiel medzi GaN a Si ako polovodičovým materiálom je v takzvanej pásmovej medzere. Tá určuje, ako ľahko môžu elektróny prechádzať cez polovodičový materiál. Platí, že čím širšia je pásmová medzera, tým vyššia je mobilita elektrónov a výkonová frekvencia. Materiál GaN má šírku pásmovej medzery 3.4 eV, kým kremík, z ktorého sú vyrobené bežné tranzistory, má pásmovú medzeru 1,12 eV.

Pozrite siNabíjačka HyperJuice GaN vo veľkosti kreditnej karty ponúka 100 W výkon!

To je dôvod, prečo môžu GaN nabíjačky, okrem iného, zvládnuť oveľa vyššie napätie a vyššiu hustotu energie ako nabíjačky na báze kremíka. Navyše gálium-nitrid dokáže odolať vyšším teplotám ako kremík, preto jeho použitie môže ovplyvniť návrh zložitejších systémov aj vďaka menším chladičom.

GaN / Si odpor vs prierazné napätieZDROJ | EPC

Ako sa môžete ľahko presvedčiť, väčšina GaN nabíjačiek má viacero portov (najčastejšie USB C v kombinácii s USB A) a umožňuje nabíjať viacero zariadení súčasne. K tomu prispieva aj vyšší výkon, bežne 60 až 100 W.

ZDROJ | HYPER

Vďaka vyššiemu výkonu a tepelnej odolnosti dokážete s GaN nabíjačkou batériu smartfónu nabiť 2x až 3x rýchlejšie. Napríklad, ak s klasickou kremíkovou nabíjačkou nabijete za 30 minút batériu svojho mobilu na 20%, s bežnou GaN nabíjačkou bude za rovnaký čas nabitá na 50%. GaN nabíjačky teda šetria čas a vďaka menším rozmerom aj priestor v príručnej taške, či kabelke.

Isté je, že nitrid gália sa voči kremíku presadí na širokom fronte, nielen v oblasti nabíjačiek a modrých LED, kde je prakticky monopolným materiálom. Nepotrvá dlho a prakticky všetky čipy prejdú na GaN – z praktických, aj z ekonomických dôvodov.

ZdrojEfficient Power Conversion Corporation

Komentáre k článku