El material novedoso que encoge los cargadores de teléfonos, enciende los coches eléctricos y hace posible la tecnología 5G

Si está leyendo esto en una pantalla, es probable que, literalmente, esté mirando al futuro.

Presente en la mayoría de las pantallas LED, así como en las luces LED que ahora proporcionan mucha iluminación interior, está el galio metálico. Y aunque no es tan conocido como el silicio, se está apoderando de muchos de los lugares donde el silicio una vez reinó supremo, desde antenas hasta ladrillos de carga y otros sistemas de conversión de energía conocidos como “electrónica de potencia”. En el proceso, está habilitando una sorprendente variedad de nuevas tecnologías, desde teléfonos celulares de carga más rápida hasta vehículos eléctricos más livianos y centros de datos con mayor eficiencia energética que ejecutan los servicios y aplicaciones que usamos.

Un subproducto de la extracción de aluminio de la roca, el galio tiene una temperatura de fusión tan baja que se convierte en un líquido blanco plateado y líquido cuando lo sostienes en tu mano. Por sí solo, no es muy útil. Combínelo con nitrógeno, para hacer nitruro de galio, y se convierte en un cristal duro con propiedades valiosas. Aparece en sensores láser utilizados en muchos automóviles autónomos, antenas que permiten las rápidas redes inalámbricas celulares de la actualidad y, cada vez más, en la electrónica fundamental para hacer que la recolección de energía renovable sea más eficiente.

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Muchas de las cosas más tangibles que son posibles gracias al nitruro de galio, también conocido como GaN, están sucediendo en la electrónica de potencia. Hoy en día, puede comprar pequeños cargadores USB-C con suficiente potencia para alimentar su computadora portátil, teléfono y tableta simultáneamente, aunque no son más grandes que las versiones mucho menos potentes que durante años vienen con nuestros dispositivos.

Después de años de enviar iPhones con un ladrillo de carga horriblemente lento, Apple finalmente lo ha matado. Joanna Stern de WSJ lo mata con más fuerza, luego recomienda los mejores cargadores rápidos y opciones inalámbricas de Anker, Aukey, Belkin y otros. Ilustración fotográfica: Preston Jessee para EDL

La electrónica de potencia que convierte un nivel de voltaje en otro también es clave para muchos aspectos de los vehículos eléctricos. Son más pequeños, más livianos, más eficientes y emiten menos calor, por lo que los vehículos eléctricos pueden viajar más lejos con una carga, dice Jim Witham, director ejecutivo del fabricante de chips GaN Systems. Esas propiedades también son excelentes para extraer significativamente más electricidad de fuentes de energía renovables como los paneles solares, agrega. Incluso las pequeñas ganancias de eficiencia en la conversión de electricidad se suman cuando ocurren varias veces, como en una red de energía renovable que incluye almacenamiento de batería.

El material milagroso que puede ser GaN, enfrenta la competencia del silicio probado y verdadero y una lista creciente de nuevos materiales que muestran potencial para revolucionar nuestra electrónica. Aún así, sus usos se están expandiendo. GaN Systems también tiene clientes que prueban sus chips en centros de datos, donde la reducción del consumo de energía y el calor residual puede traducirse en ahorros masivos en las facturas de electricidad. Ninguno de sus clientes de centros de datos ha reconocido públicamente el uso de la tecnología.

Hubo un tiempo, no hace mucho, en que GaN era una mera curiosidad de laboratorio. Luego, el Pentágono se interesó en la búsqueda de nuevos tipos de electrónica para impulsar las comunicaciones inalámbricas y los radares de próxima generación. A partir de 2000, la financiación de Darpa, la agencia de investigación avanzada del Departamento de Defensa, impulsó la experimentación necesaria para superar muchos de los obstáculos para su comercialización, dice Rachel Oliver, profesora de ciencia de materiales y directora del Centro de Nitruro de Galio en la Universidad de Cambridge.

Junto con sus innumerables aplicaciones en el mundo civil, GaN ahora aparece en el hardware militar utilizado para todo, desde la interferencia de radio hasta la defensa antimisiles, todo ello posible gracias a sus propiedades únicas.

A diferencia del silicio, GaN puede manejar cantidades relativamente grandes de electricidad. Tiene la propiedad inusual de ser muy bueno para mover electrones y muy bueno para no permitirles ir a donde no quisieras que estuvieran, lo que lo hace útil y relativamente seguro, dice el Dr. Oliver.

Forma de metal de galio; Las propiedades inusuales de un compuesto cristalino, el nitruro de galio, lo hacen útil en una amplia gama de productos electrónicos avanzados.


Foto:

Gabriel Zimmer para EDL

Junto con su talento para conducir electricidad, es la capacidad de GaN para operar a frecuencias mucho más altas que las posibles con silicio (entre 30 y 500 veces más rápido en aplicaciones comerciales) lo que permite cargadores que son mucho más pequeños o entregan más energía que los tradicionales.

A medida que nuestro mundo entero se electrifica cada vez más, desde nuestras fuentes de energía hasta los dispositivos que lo usan, cualquier cosa que realice de manera más eficiente la función crítica pero fácil de pasar por alto de convertir la electricidad de una forma a otra tiene el potencial de convertirse en ambas. omnipresente y una enorme fuente de ingresos. Es por eso que hay docenas de nuevas empresas y empresas establecidas en este espacio, incluidas Navitas Semiconductor, GaN Systems, Power Integrations, Texas Instruments, Infineon y STMicroelectronics.

Sin embargo, el mercado de la electrónica de potencia de GaN es todavía bastante incipiente. En 2019, el mercado completo para todos los transistores era de aproximadamente $ 16 mil millones, mientras que el mercado del tipo ofrecido por Navitas, GaN Systems y otros era de $ 45 millones, dice George Brocklehurst, vicepresidente de investigación de Gartner.

Hay otros materiales potencialmente revolucionarios que están comenzando a competir con el silicio, como el grafeno, pero los microchips de GaN tienen la ventaja considerable de que pueden producirse en el mismo tipo de instalaciones de fabricación, llamadas fabs, que fabrican microchips convencionales, dice Stephen Oliver, director. de marketing en Navitas.


Toyota mostró recientemente un vehículo prototipo cargado con componentes electrónicos basados ​​en nitruro de galio.

Debido a que no requieren la tecnología de fabricación de chips más avanzada, los chips de GaN se pueden producir en fábricas más antiguas y de pago que de otro modo podrían estar inactivas. Un efecto secundario afortunado ha sido que el suministro de chips de GaN no se ha visto afectado por la escasez global de semiconductores, dice Oliver. Los chips de Navitas se fabrican actualmente en la fábrica más antigua que aún opera TSMC, el titán taiwanés de fabricación de chips.

La absorción de GaN se está volviendo tan generalizada que los precios están cayendo rápidamente. Es por eso que ahora puede comprar un cargador de GaN por $ 20 a $ 70 que es mejor en todos los sentidos que los que venían con sus dispositivos.

Empresas como GaN Systems están impulsando la tecnología a otras áreas. Tanto BMW como Toyota son inversores en GaN Systems. En 2019, Toyota mostró un vehículo prototipo con electrónica de potencia basada completamente en GaN, desde el cargador a bordo del automóvil hasta sus luces LED.

Dicho esto, las fichas de GaN no son un ganador absoluto. Los avances en la ciencia de los materiales han generado un puñado de competidores. La electrónica de potencia de silicio tradicional sigue siendo dominante en la mayoría de las aplicaciones, y en el mundo de la automoción, el carburo de silicio, una alternativa con muchas de las mismas propiedades que GaN, tiene una trayectoria mucho más larga, dice Brocklehurst de Gartner.

Una serie de sustancias prometedoras, pero menos conocidas, podría hacer que todas las mencionadas anteriormente corrieran por su dinero, incluidos el óxido de galio y el óxido de aluminio. Ambos son semiconductores que pueden modelarse en microchips, dice el Dr. Oliver.

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Donde la revolución de los materiales no se ha afianzado es en el mercado más grande de semiconductores: los procesadores que alimentan nuestras computadoras. Hasta hace poco, dice el Dr. Oliver, GaN ha sido bueno en hacer solo la mitad de las cosas que puede hacer un transistor de silicio tradicional.

Hasta ahora, GaN no puede manejar los flujos de corriente eléctrica necesarios para ejecutar el tipo de cálculos realizados por los chips lógicos de silicio tradicionales. Pero los hallazgos recientes sugieren que eso puede estar cambiando.

“Si me hubieras preguntado hace unos años si veríamos a GaN por lógica, diría: ‘Oh, no seas estúpido’”, dice. “Pero ahora es posible y puede conducir a dispositivos más rápidos”.

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Fuente: WSJ