Treffen Sie Galliumnitrid. Ist er nicht hübsch? Bild: Solid_State / Wikimedia Commons
Zu Beginn der Gründung von Habr bewunderten wir das HTC HD2-Smartphone: Seine 4,3-Zoll-Diagonale schien etwas Unglaubliches zu sein, und sein 1200-mAh-Akku erregte aufrichtigen Respekt. Heute sorgen diese Zahlen natürlich nur noch für ein Lächeln: Die Flaggschiff-Bildschirme haben sich verdoppelt und die Batterien haben sich verdreifacht. Mit dem Wachstum der Leistung, der Anzahl der Kameras und der Akkugrößen wächst auch die Beliebtheit der Schnellladetechnologie, was nicht verwunderlich ist. Wenn ein 5-W-Adapter für einen 1500-1700-mAh-Akku ausreicht, ist der Markt inzwischen voll von Smartphones mit Akkus als 4500 mAh.
Die Standards für Schnellladung und Stromversorgung haben das Problem teilweise gelöst, ebenso wie eine Vielzahl von proprietären Variationen des beschleunigten Ladens von Smartphone-Herstellern. Dies erforderte natürlich spezielle Laderegler und komplexe Algorithmen (niemand möchte eine Lithiumbatterie kurzschließen, wie dies beim Galaxy Note 7 der Fall war). Alle Methoden zur beschleunigten Wiederauffüllung der Ladung in der einen oder anderen Form beruhten auf der Erhöhung der Leistung des Ladegeräts: durch Erhöhung der Spannung oder des Betriebsstroms. Ein Nebeneffekt solcher Innovationen war eine Erhöhung der Betriebstemperaturen von Schaltungselementen und der Größe der Stromversorgung. Und dann kam ein neues Material zur Rettung - Galliumnitrid (GaN), das bereits in Halbleitern und in der Mikroelektronik eingesetzt wurde.
Was ist Galliumnitrid und warum wird es benötigt?
Die meisten aktuellen Halbleiterelemente verwenden seit Jahrzehnten Silizium, eines der häufigsten Elemente im Periodensystem. Es ist relativ einfach zu verarbeiten und in den meisten Fällen reichen seine Eigenschaften aus, um die Arbeitseigenschaften der Produkte sicherzustellen. Leider gibt es auch Anwendungsbereiche, in denen die Fähigkeiten dieses Materials zu einem "Engpass" geworden sind.
Kurz gesagt, die Nützlichkeit von Galliumnitrid kann durch das folgende Beispiel beschrieben werden: In einer Schaltstromversorgung wird die Zielspannung durch wiederholtes Ein- und Ausschalten der Transistoren (Durchleiten oder Ausschalten des Stroms in der Schaltung) mit einem bestimmten Zeitpunkt erhalten. Wenn also ein klassischer Siliziumtransistor von einem leitenden in einen isolierenden Zustand umgeschaltet wird, wird eine große Wärmemenge freigesetzt, was die Effizienz des Betriebs verringert und die Verwendung solcher Elemente in leistungsstarken Stromversorgungen begrenzt.
Ein blauer Halbleiterlaser verwendet typischerweise Galliumnitrid oder eine Indiumlegierung, um die gewünschte Wellenlänge zu erzeugen. Foto: Pang Kakit / Wikimedia Commons
Der Hauptvorteil von Galliumnitrid liegt in einem Schlüsselmerkmal eines Halbleiters: der Bandlücke. Im weitesten Sinne zeigt das "verbotene Band" den Unterschied in den Energien eines Elektrons an, der einen stromleitenden Zustand von einem Valenzzustand (dh nicht leitend) unterscheidet. Mit steigenden Temperaturen ändern sich die Eigenschaften des Halbleiters, weil Wärmeschwingungen der Atome des Materials erhöhen die Energie der Elektronen und "stoßen" sie in einen leitenden Zustand.
Ein Merkmal von GaN-Transistoren ist eine extrem große Bandlücke - 3,40 eV gegenüber 1,12 eV für Siliziumanaloga. In Stromkreisen (die während des Betriebs besonders anfällig für Erwärmung sind) können Sie mit diesem Vorteil konstante Leistungseigenschaften beibehalten und den Wirkungsgrad bei höheren Temperaturen nicht beeinträchtigen. Zusätzlich können GaN-Transistoren aufgrund der hohen Ladungsträgerdichte viel höheren Strömen standhalten. Im Allgemeinen sind Galliumnitridkristalle selbst widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen.
Alles Neue ist alt vergessen
Die ersten Untersuchungen seiner Eigenschaften begannen in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts und wurden bereits Mitte der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts als eines der vielversprechendsten optoelektronischen Materialien angesehen. Es ist erwähnenswert, dass er in der Optoelektronik in erster Linie breite Anwendung fand: Galliumnitrid ist eine der wenigen Substanzen, die Strahlung im blauen Spektrum erzeugen können. Daher wird es beispielsweise in genau diesen Lasern für Bluray-Antriebe verwendet. Sie möchten es auch in UV-beständigen Solarmodulen verwenden, aber dies kann eine andere Geschichte sein.
GaN-basierte Strukturen haben sich nicht nur für optische Geräte als geeignet erwiesen. Die oben beschriebenen Eigenschaften erwiesen sich als nützlich für die Entwicklung der Komponentenbasis von Leistungs- und Mikrowellenelektronik, einschließlich Transistoren. Eine weitere wichtige Nuance, die es Galliumnitrid ermöglichte, ernsthaft die allgemeine Akzeptanz zu beanspruchen, war der Preis und die Sicherheit: Das zuvor besetzte Galliumarsenid (eine Verbindung aus Gallium und Arsen) ist äußerst schwierig herzustellen, außerdem kann GaAs toxische und krebserzeugende Verbindungen bilden.
Eine mikroskopische Aufnahme eines Hochgeschwindigkeits-GaN-Transistors, der bei 100 Volt arbeitet. Foto: Fraunhofer IAF
Ja, Siliziumhalbleiter sind heute billiger, da der Prozess selbst bereits gründlich untersucht wurde, die Produktion fein abgestimmt ist und Rohstoffe viel günstiger sind. Selbst mit solchen Vorbehalten erreicht der Kostenunterschied jedoch keine signifikanten Werte und hat nur geringe Auswirkungen auf den Preis des Endprodukts. Wenn wir über die Zukunft sprechen, verspricht ein groß angelegter Übergang zu GaN, überhaupt Geld zu sparen, indem der Stromverbrauch im Vergleich zur Elektronik mit Siliziumtransistoren um 10 bis 20% gesenkt wird.
Praktischer Nutzen
Da die einzige Möglichkeit, die Erwärmung von Transistoren zu verringern, darin besteht, sie nicht mit voller Stärke arbeiten zu lassen (d. H. Die Elementbasis mit einem großen Rand zu nehmen), sind leistungsstarke Schaltnetzteile auf Siliziumbasis von beeindruckender Größe. Die Fähigkeit von GaN-Transistoren, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, und die Kompaktheit solcher Modelle können das erforderliche Volumen des Gehäuses zum Platzieren und Kühlen der Füllung erheblich reduzieren. Beispielsweise kann die Größe eines Netzteils für einen Laptop oder ein Smartphone bei gleichbleibender Leistung um etwa die Hälfte reduziert werden. Das Gegenteil ist auch der Fall: Sie können die Gesamtgröße des Speichers beibehalten und dessen Leistung verbessern.
Und wirklich kompakter - bei gleicher Leistung. Foto: Anker
Die Gründe, warum dies möglich wird, liegen an der Oberfläche. Die hohe Dichte und die breite Bandlücke von Galliumnitrid können die Effizienz von Endgeräten erheblich steigern. Während für Siliziumtransistoren sogar 95% als sehr anständig angesehen werden, erreicht sie für Lösungen auf GaN-Basis 98–99%. Unter Berücksichtigung der Leistung moderner Leistungsadapter wird dadurch die erzeugte Wärmemenge erheblich reduziert, die als Begrenzer für die Betriebsarten von Siliziumhalbleitern dient. Und die oben erwähnte Fähigkeit von GaN-Komponenten, bei höheren Temperaturen zu arbeiten, ermöglicht es Ihnen, etwas mehr Leistung herauszuholen, wenn alle anderen Dinge gleich sind.
Natürlich bedeutet der Übergang zu Galliumnitrid keine Revolution, insbesondere wenn wir ihn im Zusammenhang mit Ladegeräten für Geräte betrachten. Im Großen und Ganzen bringt ein solches "Upgrade" sie nur näher an die Fähigkeiten und Bedürfnisse moderner Smartphones heran, die dringend Hochleistungsadapter benötigen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Hersteller mobiler Geräte nicht an einem vielversprechenden Material vorbeikommen konnten.
Bild: Anker
Fast alle großen Anbieter betreiben derzeit eigene Forschungen zur Verwendung von GaN in Ladegeräten für ihre Geräte, und die bevorstehende Massenverwendung steht außer Zweifel. Um die Vorzüge von Galliumnitrid-Netzteilen persönlich zu schätzen, müssen Sie jedoch nicht mehrere Jahre warten. Es gibt bereits Anker-Ladegeräte auf dem Markt, die GaN seit mehreren Jahren nutzen.
Anker und GaN
Anker hat sich seit langem auf die Entwicklung und Herstellung von Ladegeräten spezialisiert, und es war uns einfach unmöglich, an einem so vielversprechenden Material vorbeizukommen. Die Bewertung der Aussichten für Galliumnitrid ermöglichte es, nicht nur leistungsstarke Ladegeräte zu verwenden, sondern auch ein wirklich universelles Netzteil zu schaffen, das für Smartphones und Laptops mit Typ-C-Netzteil geeignet ist. Fügen Sie dieser Unterstützung mehrere Schnellladeprotokolle gleichzeitig hinzu - und mit einem solchen Netzteil kann der Benutzer fast jedes Gerät unabhängig von der Marke schnell und effizient aufladen.
Das Ergebnis der Arbeit unserer Ingenieure war die Entstehung einer ganzen Reihe von Anker Atom-Adaptern mit GaN-Transistoren im Leistungsteil. Alles begann 2017 mit einem einzigen Ladegerät - und jetzt wurde die Familie um mehrere Lösungen gleichzeitig erweitert. Beispielsweise liefert der Anker Atom PD1 mit Abmessungen, die mit Standard-10-W-Ladegeräten vergleichbar sind, eine Leistung von bis zu 30 W und ist mit der Power Delivery-Technologie kompatibel. Es ist für die Verwendung mit den neuesten iPhone- und Samsung-Modellen optimiert, sodass Sie diese Geräte schneller aufladen können. Im Vergleich zum Standardladegerät des gleichen iPhone XS bietet es mehr als die doppelte Ladegeschwindigkeit. Es kann auch zum Aufladen von MacBook Pro und Air Laptops verwendet werden.
PowerPort Atom III 60W Ladegerät mit zwei Steckdosen Bild: anker.com
Für Benutzer leistungsfähigerer Laptops gibt es ein fortschrittliches Modell - Anker Atom PD2. Es ist etwas größer als das Miniatur-Atom PD1, kann jedoch beim Laden eines einzelnen Geräts eine Leistung von bis zu 60 Watt liefern. Oder versorgen Sie ein paar Geräte gleichzeitig mit einer Leistung von bis zu 30 W - dank zwei Anschlüssen am Gehäuse und einem parallelen Stromversorgungskreis.
Bemerkenswert ist auch das Atom III 60W Ladegerät. Es ist auch in zwei Versionen erhältlich - mit einem und zwei Anschlüssen und Unterstützung für Schnellladetechnologien in drei gängigen Formaten: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging und USB-C Power Delivery.