Conoce el nitruro de galio. ¿No es guapo? Imagen: Solid_State / Wikimedia Commons
En los albores de la formación de "Habr" admirábamos el smartphone HTC HD2: sus 4,3 pulgadas de diagonal nos parecían increíbles y la batería de 1200 mAh despertaba un sincero respeto. Hoy, por supuesto, estas cifras solo provocan una sonrisa: las pantallas insignia se han duplicado y las baterías se han triplicado. Junto con el crecimiento en el rendimiento, la cantidad de cámaras y tamaños de batería, la popularidad de la tecnología de carga rápida está creciendo, lo cual no es sorprendente: si un adaptador de 5 W fue suficiente para una batería de 1500-1700 mAh, ahora el mercado está lleno de teléfonos inteligentes con baterías. de 4500 mAh.
Los estándares de carga rápida y entrega de energía han resuelto parcialmente el problema, así como una gran cantidad de variaciones patentadas sobre la carga acelerada de los fabricantes de teléfonos inteligentes. Por supuesto, esto requirió controladores de carga especiales y algoritmos complejos (nadie quiere cortocircuitar una batería de litio, como fue el caso del Galaxy Note 7). Todos los métodos de reabastecimiento acelerado de la carga de una forma u otra se basaron en un aumento en la potencia del cargador: a través de un aumento en el voltaje o la corriente de operación. Un efecto secundario de tales innovaciones fue un aumento en las temperaturas de funcionamiento de los elementos del circuito y el tamaño de la fuente de alimentación. Y luego vino al rescate un nuevo material: el nitruro de galio (GaN), que ya se ha utilizado en semiconductores y microelectrónica.
¿Qué es el nitruro de galio y por qué es necesario?
La mayoría de los elementos semiconductores actuales han utilizado silicio durante décadas, uno de los elementos más comunes en la tabla periódica. Es relativamente fácil de trabajar y en la mayoría de los casos sus características son suficientes para asegurar las propiedades de trabajo de los productos. Desafortunadamente, también hay áreas de aplicación donde las capacidades de este material se han convertido en un "cuello de botella".
En pocas palabras, la utilidad del nitruro de galio se puede describir con el siguiente ejemplo: en una fuente de alimentación conmutada, el voltaje objetivo se obtiene encendiendo y apagando repetidamente los transistores (pasando o apagando la corriente en el circuito) con un tiempo determinado. Entonces, cuando un transistor de silicio clásico se cambia de un estado conductor a un estado aislante, se libera una gran cantidad de calor, lo que reduce la eficiencia de operación y limita el uso de dichos elementos en fuentes de alimentación potentes.
Un láser semiconductor azul normalmente usa nitruro de galio o una aleación de indio para producir la longitud de onda deseada. Foto: Pang Kakit / Wikimedia Commons
La principal ventaja del nitruro de galio radica en una característica clave de un semiconductor: la banda prohibida. En un sentido amplio, la "banda prohibida" indica la diferencia en las energías de un electrón, que distingue un estado conductor de corriente de un estado de valencia (es decir, no conductor). Con temperaturas crecientes, las características del semiconductor cambian, porque Las vibraciones térmicas de los átomos del material aumentan la energía de los electrones y los "empujan" a un estado conductor.
Una característica de los transistores GaN es una banda prohibida extremadamente amplia: 3,40 eV frente a 1,12 eV para los análogos de silicio. En los circuitos de potencia (que son especialmente susceptibles al calentamiento durante el funcionamiento), esta ventaja le permite mantener características de rendimiento constantes y no reducir la eficiencia a temperaturas más altas. Además, debido a la alta densidad de portadores de carga, los transistores de GaN pueden soportar corrientes mucho más altas. Y, en general, los propios cristales de nitruro de galio son más resistentes a las altas temperaturas.
Todo lo nuevo está bien olvidado
Los primeros estudios de sus propiedades se iniciaron en los años 40 del siglo XX, y ya a mediados de los 90 del siglo pasado comenzó a ser considerado como uno de los materiales optoelectrónicos más prometedores. Cabe señalar que fue en la optoelectrónica donde encontró una amplia aplicación en primer lugar: el nitruro de galio es una de las pocas sustancias capaces de generar radiación en el espectro azul. Por lo tanto, se utiliza, por ejemplo, en esos mismos láseres para unidades Bluray. También quieren usarlo en paneles solares resistentes a los rayos UV, pero esto puede ser una historia aparte.
Las estructuras basadas en GaN han demostrado ser adecuadas no solo para dispositivos ópticos. Las características descritas anteriormente resultaron ser útiles para el desarrollo de la base de componentes de la electrónica de potencia y microondas, incluidos los transistores. Otro matiz importante que permitió al nitruro de galio reclamar seriamente el reconocimiento universal fue el precio y la seguridad: el arseniuro de galio previamente ocupado (un compuesto de galio y arsénico) es extremadamente difícil de producir, además, GaAs puede formar compuestos tóxicos y cancerígenos.
Una micrografía de un transistor GaN de alta velocidad que funciona a 100 voltios. Foto: Fraunhofer IAF
Sí, hoy en día los semiconductores de silicio son más baratos debido a que el proceso en sí ya se ha estudiado a fondo, la producción está depurada y las materias primas son mucho más asequibles. Sin embargo, incluso con tales reservas, la diferencia de costo no alcanza valores significativos y tiene poco efecto sobre el precio del producto final. Si hablamos del futuro, entonces una transición a gran escala a GaN promete ahorrar dinero al reducir el consumo de energía en un 10-20% en comparación con la electrónica con transistores de silicio.
Uso práctico
Dado que la única forma de reducir el calentamiento de los transistores es hacer que no funcionen con toda su potencia (es decir, tomar la base del elemento con un gran margen), las potentes fuentes de alimentación conmutadas basadas en silicio tienen un tamaño impresionante. La capacidad de los transistores de GaN para operar a altas temperaturas y la compacidad de tales modelos pueden reducir significativamente el volumen requerido de la caja para colocar y enfriar el relleno. Por ejemplo, el tamaño de un adaptador de corriente para una computadora portátil o un teléfono inteligente se puede reducir aproximadamente a la mitad mientras se mantiene el rendimiento. Lo contrario también es cierto: puede mantener el tamaño total de la memoria y mejorar su rendimiento.
Y realmente más compacto, con la misma potencia. Foto: Anker
Las razones por las que esto es posible se encuentran en la superficie. La alta densidad y la amplia banda prohibida del nitruro de galio pueden aumentar significativamente la eficiencia de los dispositivos finales. Mientras que para los transistores de silicio incluso el 95% se considera muy decente, para las soluciones basadas en GaN alcanza el 98–99%. Teniendo en cuenta la potencia de los adaptadores de corriente modernos, esto reduce significativamente la cantidad de calor generado, que actúa como un limitador para los modos de funcionamiento de los semiconductores de silicio. Y la capacidad mencionada anteriormente de los componentes de GaN para trabajar a temperaturas más altas le permite exprimir un poco más de energía, en igualdad de condiciones.
Por supuesto, la transición al nitruro de galio no supone ningún tipo de revolución, sobre todo si lo consideramos en el contexto de los cargadores para gadgets. En general, una "actualización" de este tipo solo los acerca a las capacidades y necesidades de los teléfonos inteligentes modernos, que necesitan con urgencia adaptadores de alta potencia. Por tanto, no hay nada de sorprendente en el hecho de que los fabricantes de equipos móviles no pudieran pasar por alto material prometedor.
Imagen: Anker
Casi todos los proveedores importantes están actualmente involucrados en su propia investigación sobre el uso de GaN en cargadores para sus dispositivos, y su próximo uso masivo está fuera de toda duda. Sin embargo, para apreciar personalmente las delicias de los adaptadores de corriente de nitruro de galio, no tiene que esperar varios años. Ya existen cargadores Anker en el mercado que llevan varios años aprovechando GaN.
Anker y GaN
Anker se ha especializado en el diseño y fabricación de cargadores durante mucho tiempo, y simplemente nos era imposible pasar por alto un material tan prometedor. La evaluación de las perspectivas del nitruro de galio hizo posible no solo usarlo para crear cargadores potentes, sino también crear una fuente de alimentación verdaderamente universal adecuada para teléfonos inteligentes y computadoras portátiles con fuente de alimentación Tipo-C. Agregue a este soporte para varios protocolos de carga rápida a la vez, y con una fuente de alimentación de este tipo, el usuario podrá cargar casi cualquier dispositivo de manera rápida y eficiente, independientemente de la marca.
El resultado del trabajo de nuestros ingenieros fue la aparición de toda una línea de adaptadores Anker Atom que utilizan transistores GaN en la sección de potencia. Todo comenzó con un solo cargador en 2017, y ahora la familia se ha expandido para incluir varias soluciones a la vez. Por ejemplo, el Anker Atom PD1, con dimensiones comparables a los cargadores estándar de 10 W, ofrece hasta 30 W de potencia de salida y es compatible con Power Delivery. Está optimizado para funcionar con los últimos modelos de iPhone y Samsung, lo que le permite cargar estos dispositivos a mayor velocidad. En comparación con el cargador estándar del mismo iPhone XS, proporciona más del doble de velocidad de carga. También se puede utilizar para cargar portátiles MacBook Pro y Air.
Cargador PowerPort Atom III 60W de doble enchufe Imagen: anker.com
Para los usuarios de portátiles que consumen más energía, existe un modelo avanzado: Anker Atom PD2. Es un poco más grande que el Atom PD1 en miniatura, pero es capaz de entregar hasta 60 vatios de potencia cuando se carga un solo dispositivo. O proporcione un par de dispositivos a la vez con una potencia de hasta 30 W, gracias a dos conectores en la carcasa y un circuito de alimentación paralelo.
También cabe destacar el cargador Atom III de 60W. También está disponible en dos versiones, con uno y dos conectores y soporte para tecnologías de carga rápida en tres formatos populares: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging y USB-C Power Delivery.