Was sind GaN-Ladegeräte? Die Technologie, die ein leichtes Schnellladen ermöglicht
Viele Smartphones der Spitzenklasse enthalten keine Ladegeräte mehr im Lieferumfang. Dies bedeutet, dass Sie entweder Ihren alten USB-Wandadapter verwenden oder einen Ladestein separat kaufen müssen.
Aber ist es angesichts unserer zunehmenden Anzahl von USB-betriebenen Geräten ratsam, einen USB-Adapter mit einem einzigen Port zu kaufen? Und wenn Sie mehrere Schnellladegeräte haben, wie können Sie dann gleichzeitig an einem einzigen Adapter schnell laden?
Hier kommt das GaN-Ladegerät ins Spiel. Aber was ist es? Hier ist ein Blick auf die zukünftigen Ladesteine, Computer und mehr.
Wie Schnellladegeräte funktionieren
Die ersten Smartphones hatten Akkus, die auf Ladegeschwindigkeiten von fünf Watt begrenzt waren. Die Hersteller haben dies getan, um eine Überhitzung einer Batterie zu vermeiden, die ihre Lebensdauer verkürzen oder sogar katastrophale Ausfälle verursachen könnte.
Mit dem Aufkommen neuer Technologien erhielten die Batterien jedoch eine größere Kapazität in Bezug auf die Ladungsmenge und die Energie, die sie zum Aufladen verwenden können. Und um sicherzustellen, dass sie nicht zu viel Strom verbrauchen, was zu mehr Wärme führt, implementierten die Hersteller interne Schaltkreise, die den Durchfluss steuerten.
Dieses System weiß, wie viel Spannung und Stromstärke seine Batterie aufnehmen kann und kommuniziert daher mit dem Ladebaustein. Das Telefon kann dem Ladestein auch den Typ des verwendeten USB-Kabels, den Ladezustand des Akkus sowie einige andere Details mitteilen.
Im Wesentlichen sind moderne USB-Ladebausteine Computer selbst. Sie haben kleine Boards, die die Informationen von Ihrem Gerät verarbeiten, und sie passen ihre Ausgabe nach Bedarf an. Aufgrund dieser Anforderung sind Ladegeräte jedoch größer und schwerer geworden.
Das Galliumnitrid-Geheimnis
Hier kommt Galliumnitrid ins Spiel. Wie Sie wahrscheinlich wissen, werden Computer heute aus Siliziumchips hergestellt. Dies geschah, weil Silizium ein reichlich vorhandenes Element ist und relativ leicht zu verarbeiten ist. Aufgrund seiner einstellbaren elektrischen Eigenschaften ist es auch ein hervorragender Halbleiter.
Galliumnitrid oder GaN hat sich jedoch als neuere, bessere Alternative zu Silizium herausgestellt. Dieses Material ist im Vergleich zu Silizium besser darin, höhere Spannungen über längere Zeiträume zu leiten. Elektrische Ströme fließen auch schneller durch ihn, was eine schnellere Verarbeitung ermöglicht.
Diese bessere Leitfähigkeit führt zu einem höheren Wirkungsgrad. Dies liegt daran, dass im Vergleich zu Siliziumtransistoren nicht so viel Energie benötigt wird, um die gleiche Leistung zu erzielen. Es ermöglichte den Herstellern auch, Chips in dichterer, kompakterer Form herzustellen, da weniger Energie weniger Wärme bedeutete. GaN-Chips haben auch eine höhere Spannungskapazität und sind hitzebeständiger, perfekt für Leistungsübertragungsanwendungen.
All diese Eigenschaften machen GaN perfekt für Ladetechnologien. Er kann bei geringem Platzbedarf die gleiche Leistung wie Siliziumchips abgeben, erzeugt trotz hoher Wattleistung weniger Wärme und ist energieeffizienter. Aus diesem Grund können Sie kleine GaN-Power-Bricks kaufen, die mehrere Geräte schnell aufladen können, während sie die gleiche Größe wie Ihr Standard-Ladegerät beibehalten.
Jenseits des Aufladens
GaN-Chips sind nicht auf Ladetechnologien beschränkt. Tatsächlich wurde GaN in den 1990er Jahren hauptsächlich in LEDs verwendet. Dieses Material ermöglichte die Entwicklung von weißen LEDs und hellen, bei Tageslicht sichtbaren LED-Bildschirmen.
Blu-ray-Player nutzten ihn auch als GaN-basierten blauen Laser. Dieser Laser hatte eine kürzere Wellenlänge von 405 nm, was es ihm ermöglichte, Informationen näher und mit besserer Präzision zu lesen. Aus diesem Grund können Blu-ray-Discs im Vergleich zu DVDs mehr Informationen enthalten.
Drahtlose und Hochfrequenzinfrastrukturen verwenden aufgrund ihres effizienten Betriebs in Hochspannungsumgebungen auch GaN-basierte Chips. Dank ihrer hitzebeständigen Eigenschaften findet man es sogar in Elektroautos.
GaN-Chips fanden auch militärische Anwendungen. Seit 2010 werden sie in aktiven elektronisch abgetasteten Array-Radaren installiert, die es der US-Armee ermöglichen, Systeme mit besserer Mobilität und geringeren Kosten bei geringerem Personaleinsatz einzusetzen.
Warum wir (noch) keine Gallium-Computer haben
Einer der Hauptgründe, warum wir noch keine Computer auf Galliumbasis haben, sind die Kosten. Obwohl davon ausgegangen wird, dass die Siliziumtechnologie in einigen Jahren an die theoretische Grenze ihrer Entwicklung stoßen wird, basiert der Großteil der Chipinfrastruktur darauf, wodurch Siliziumchips weit verbreitet sind.
Diese Durchdringung macht es wirtschaftlich und einfach herzustellen. Da es seit über 50 Jahren im Einsatz ist, ist es bereits Standardtechnologie. Im Moment bleiben die meisten Chiphersteller bei Silizium, weil es das ist, was der Markt verlangt.
Darüber hinaus erfordert die Umstellung auf GaN-Chips umfangreiche Investitionen in neue Designs, Prozesse und Ausrüstung. Unternehmen müssen ihre Systeme anpassen, damit sie sowohl mit Silizium- als auch mit GaN-Material arbeiten können.
Abgesehen von den Kosten müssen GaN-Herstellungsprozesse weiter verfeinert werden. Im Jahr 2000 wiesen hergestellte Siliziumkristalle nur hundert Defekte oder weniger pro Quadratzentimeter auf. Andererseits wies GaN etwa zehn Millionen Mal mehr Verunreinigungen auf.
Dies hat sich seitdem auf ein überschaubareres Niveau verbessert, ist aber im Vergleich zu Silizium immer noch nicht so effizient in der Herstellung. Da jedoch mehr Forschung und Entwicklung an Galliumnitrid betrieben wird, können wir erwarten, dass seine Leistung gleich oder sogar besser ist als die von Silizium.
Die Siliziumgrenze
Was letztendlich die weit verbreitete Einführung der GaN-Technologie vorantreiben wird, ist die Siliziumgrenze. Schließlich setzt unser technologischer Trend auf bessere Miniaturisierung und Effizienz.
Computer waren zum Beispiel einst raumgroße Maschinen, die riesige Vakuumröhren verwendeten, deren Betrieb viel Energie erforderte. Die Erfindung des Silizium-Halbleiters ermöglichte es uns dann, die gleiche Leistung in einen fingernagelgroßen Chip zu packen.
Deshalb ist Ihre Smartwatch heute leistungsfähiger als der Bordcomputer der Apollo 11, die 1969 die ersten Menschen zum Mond brachte.
1965 sagte Gordon Moore, der Direktor für Forschung und Entwicklung von Fairchild Semiconductor und zukünftiger Vorsitzender der Intel Corporation, dass sich die Transistoren auf integrierten Chips alle zwei Jahre verdoppeln würden.
Diese Vorhersage hat sich weitgehend bewahrheitet. 1971 hatten Chips weniger als 5.000 Transistoren. Aber selbst mobile Prozessoren haben heute über 10 Milliarden Transistoren. Die neuesten Consumer-Prozessoren verfügen über einen 5-nm-Transistor, und wir erwarten, dass er 2024 auf 2 nm schrumpft.
Obwohl Hersteller immer noch einen Weg finden, Silizium zu miniaturisieren, werden wir bald an seine physikalischen Grenzen stoßen. Das Siliziumatom ist etwa 0,2 nm groß, wodurch aktuelle Transistoren etwa 25 Atome breit sind.
Der 2-nm-Prozess bedeutet, dass wir nur etwa zehn Siliziumatome pro Transistor haben werden. Wenn wir darunter liegen, wird der Transistor instabil und schwer zu kontrollieren.
Die Zukunft ist GaN
Aus diesen Gründen sehen viele in GaN den zukünftigen Ersatz für Silizium. Seine Eigenschaften machen es etwa tausendmal effizienter als Silizium. Wenn Sie also ein 10-nm-GaN haben, können Sie davon ausgehen, dass es viel stärker ist als ein siliziumbasierter Chip gleicher Größe.
Da Silizium langsam aber sicher seine maximale Miniaturisierungsgröße erreichen wird, wird die GaN-Technologie schließlich die Computerwelt erobern. Werfen Sie also einen genauen Blick auf Ihr schnelles GaN-Ladegerät – denn das wird höchstwahrscheinlich die Zukunft sein – kompakt, effizient und leistungsstark.