قابل نيتريد الغاليوم. أليس وسيم؟ الصورة: Solid_State / ويكيميديا كومنز
في فجر تشكيل "Habr" ، أعجبنا الهاتف الذكي HTC HD2: فقطره 4.3 بوصة بدا مذهلاً ، وبطارية 1200 مللي أمبير أثارت الاحترام الصادق. اليوم ، بالطبع ، لا تسبب هذه الأرقام سوى الابتسامة: فقد تضاعفت الشاشات الرئيسية ، وتضاعفت البطاريات ثلاث مرات. إلى جانب النمو في الأداء وعدد الكاميرات وأحجام البطاريات ، تزداد شعبية تقنية الشحن السريع أيضًا ، وهذا ليس مفاجئًا - إذا كان محول 5 واط يكفي لبطارية 1500-1700 مللي أمبير ، فإن السوق الآن مليء بالهواتف الذكية ذات البطاريات. من 4500 مللي أمبير.
حلت معايير الشحن السريع وإيصال الطاقة المشكلة جزئيًا ، بالإضافة إلى عدد كبير من الاختلافات الخاصة حول موضوع الشحن السريع من الشركات المصنعة للهواتف الذكية. بالطبع ، يتطلب هذا وحدات تحكم شحن خاصة وخوارزميات معقدة (لا أحد يريد ماس كهربائى بطارية ليثيوم ، كما كان الحال مع Galaxy Note 7). اعتمدت جميع طرق تجديد الشحن السريع بشكل أو بآخر على زيادة قوة الشاحن: من خلال زيادة الجهد أو تيار التشغيل. كان أحد الآثار الجانبية لهذه الابتكارات هو زيادة درجات حرارة التشغيل لعناصر الدائرة وحجم مصدر الطاقة. ثم جاءت مادة جديدة للإنقاذ - نيتريد الغاليوم (GaN) ، والذي تم استخدامه بالفعل في أشباه الموصلات والإلكترونيات الدقيقة.
ما هو نيتريد الغاليوم ولماذا هو مطلوب؟
تستخدم معظم عناصر أشباه الموصلات الحالية السيليكون لعقود ، وهو أحد أكثر العناصر شيوعًا في الجدول الدوري. من السهل نسبيًا العمل مع خصائصه كافية في معظم الحالات لضمان خصائص عمل المنتجات. لسوء الحظ ، هناك أيضًا مجالات تطبيق حيث أصبحت قدرات هذه المواد "عنق الزجاجة".
باختصار ، يمكن وصف فائدة نيتريد الغاليوم من خلال المثال التالي: في مصدر طاقة التبديل ، يتم الحصول على الجهد المستهدف عن طريق تشغيل وإيقاف الترانزستورات (تمرير أو إيقاف تشغيل التيار في الدائرة) مع توقيت معين. لذلك ، عندما يتم تبديل ترانزستور السيليكون الكلاسيكي من حالة موصلة إلى حالة عازلة ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة ، مما يقلل من كفاءة التشغيل ويحد من استخدام هذه العناصر في مصادر الطاقة القوية.
عادةً ما يستخدم ليزر أشباه الموصلات الأزرق نيتريد الغاليوم أو سبيكة إنديوم لإنتاج الطول الموجي المطلوب. الصورة: بانغ كاكيت / ويكيميديا كومنز
تكمن الميزة الرئيسية لنتريد الغاليوم في السمة الرئيسية لأشباه الموصلات: فجوة النطاق. بمعنى واسع ، يشير "النطاق الممنوع" إلى الاختلاف في طاقات الإلكترون ، والذي يميز حالة التوصيل الحالية عن حالة التكافؤ (أي غير الموصلة). مع زيادة درجات الحرارة ، تتغير خصائص أشباه الموصلات ، لأن تزيد الاهتزازات الحرارية لذرات المادة من طاقة الإلكترونات و "تضربها" في حالة موصلة.
تتمثل إحدى ميزات ترانزستورات GaN في وجود فجوة نطاق واسعة للغاية - 3.40 فولت مقابل 1.12 فولت لنظائر السيليكون. في دوائر الطاقة (المعرضة بشكل خاص للتسخين أثناء التشغيل) ، تتيح لك هذه الميزة الحفاظ على خصائص أداء ثابتة وعدم تقليل الكفاءة عند درجات حرارة أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لكثافة حامل الشحنة العالية ، يمكن أن تتحمل ترانزستورات GaN التيارات الأعلى بكثير. وبشكل عام ، فإن بلورات نيتريد الغاليوم نفسها أكثر مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة.
كل ما هو جديد قديم منسي
بدأت الدراسات الأولى لخصائصه في الأربعينيات من القرن العشرين ، وفي منتصف التسعينيات من القرن الماضي ، بدأ اعتباره أحد أكثر المواد الإلكترونية الضوئية الواعدة. وتجدر الإشارة إلى أنه وجد في الإلكترونيات الضوئية تطبيقًا واسعًا في المقام الأول: نيتريد الغاليوم هو أحد المواد القليلة القادرة على توليد الإشعاع في الطيف الأزرق. لذلك ، يتم استخدامه ، على سبيل المثال ، في أجهزة الليزر ذاتها لمحركات أقراص Bluray. يريدون أيضًا استخدامه في الألواح الشمسية المقاومة للأشعة فوق البنفسجية ، ولكن يمكن أن تكون هذه قصة منفصلة.
أثبتت الهياكل القائمة على الجاليوم أنها مناسبة ليس فقط للأجهزة البصرية. تبين أن الخصائص الموصوفة أعلاه مفيدة لتطوير قاعدة مكونات الطاقة وإلكترونيات الميكروويف ، بما في ذلك الترانزستورات. فارق بسيط آخر سمح لنتريد الغاليوم بالادعاء بجدية بالقبول العالمي هو السعر والسلامة: من الصعب للغاية إنتاج زرنيخيد الغاليوم المشغول سابقًا (مركب من الغاليوم والزرنيخ) ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يشكل GaAs مركبات سامة ومسرطنة.
صورة مجهرية لترانزستور GaN عالي السرعة يعمل بجهد 100 فولت. الصورة: Fraunhofer IAF
نعم ، أصبحت أشباه موصلات السيليكون اليوم أرخص نظرًا لحقيقة أن العملية نفسها قد تمت دراستها بدقة ، وتم تصحيح أخطاء الإنتاج ، كما أن تكلفة المواد الخام أصبحت ميسورة التكلفة. ومع ذلك ، حتى مع هذه التحفظات ، فإن الفرق في التكلفة لا يصل إلى قيم كبيرة وليس له تأثير يذكر على سعر المنتج النهائي. إذا تحدثنا عن المستقبل ، فإن الانتقال على نطاق واسع إلى GaN يعد بتوفير المال على الإطلاق عن طريق تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 10-20 ٪ مقارنة بالإلكترونيات مع ترانزستورات السيليكون.
الاستخدام العملي
نظرًا لأن الطريقة الوحيدة لتقليل تسخين الترانزستورات هي جعلها لا تعمل بكامل قوتها (أي أخذ قاعدة العنصر بهامش كبير) ، فإن مصادر طاقة التحويل القوية القائمة على السيليكون ذات حجم مثير للإعجاب. إن قدرة ترانزستورات GaN على العمل في درجات حرارة عالية ويمكن أن يقلل ضغط هذه النماذج بشكل كبير من الحجم المطلوب للحالة لوضع الحشوة وتبريدها. على سبيل المثال ، يمكن تقليل حجم محول الطاقة لجهاز الكمبيوتر المحمول أو الهاتف الذكي بمقدار النصف تقريبًا مع الحفاظ على الأداء. والعكس صحيح أيضًا: يمكنك الحفاظ على الحجم الكلي للذاكرة وتحسين أدائها.
وأكثر إحكاما حقًا - بنفس القوة. الصورة: أنكر
تكمن أسباب احتمال حدوث ذلك على السطح. يمكن أن تؤدي الكثافة العالية والفجوة العريضة لنتريد الغاليوم إلى زيادة كفاءة الأجهزة النهائية بشكل كبير. بينما بالنسبة للترانزستورات السيليكونية ، فإن 95 ٪ تعتبر مناسبة جدًا ، بالنسبة للحلول القائمة على GaN تصل إلى 98-99 ٪. مع الأخذ في الاعتبار قوة محولات الطاقة الحديثة ، فإن هذا يقلل بشكل كبير من كمية الحرارة المتولدة ، والتي تعمل كمحدد لأنماط تشغيل أشباه الموصلات السيليكونية. والقدرة المذكورة أعلاه لمكونات الجاليوم على العمل في درجات حرارة أعلى تسمح لك باستخراج المزيد من الطاقة ، مع تساوي جميع الأشياء الأخرى.
بالطبع ، لا يعني الانتقال إلى نيتريد الغاليوم نوعًا من الثورة ، خاصة إذا اعتبرناها في سياق أجهزة الشحن للأجهزة. بشكل عام ، مثل هذه "الترقية" تقربهم فقط من قدرات واحتياجات الهواتف الذكية الحديثة ، والتي هي في أمس الحاجة إلى محولات عالية الطاقة. لذلك ، ليس هناك ما يثير الدهشة في حقيقة أن الشركات المصنعة للمعدات المتنقلة لا يمكنها المرور بالمواد الواعدة.
الصورة: أنكر
يشارك جميع البائعين الرئيسيين تقريبًا حاليًا في أبحاثهم الخاصة حول استخدام GaN في أجهزة الشحن الخاصة بأجهزتهم ، ولا شك في أن استخدامها الجماعي القادم لا شك فيه. ومع ذلك ، من أجل تقدير مسرات محولات الطاقة نيتريد الغاليوم شخصيًا ، لا يتعين عليك الانتظار عدة سنوات. توجد بالفعل أجهزة شحن Anker في السوق تستفيد من GaN لعدة سنوات.
Anker و GaN
لقد تخصص Anker في تطوير وإنتاج أجهزة الشحن لفترة طويلة ، وكان من المستحيل بالنسبة لنا ببساطة أن نمر بمثل هذه المواد الواعدة. أتاح تقييم آفاق نيتريد الغاليوم ليس فقط استخدامه لإنشاء أجهزة شحن قوية ، ولكن أيضًا لإنشاء مصدر طاقة عالمي مناسب للهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة المزودة بمصدر طاقة من النوع C. أضف إلى هذا الدعم للعديد من بروتوكولات الشحن السريع في وقت واحد - وبفضل مصدر الطاقة هذا ، سيتمكن المستخدم من شحن أي أداة تقريبًا بسرعة وكفاءة ، بغض النظر عن العلامة التجارية.
كانت نتيجة عمل مهندسينا ظهور مجموعة كاملة من محولات Anker Atom باستخدام ترانزستورات GaN في قسم الطاقة. بدأ كل شيء بشاحن واحد في عام 2017 - والآن توسعت العائلة لتشمل عدة حلول في وقت واحد. على سبيل المثال ، يوفر Anker Atom PD1 ، بأبعاد مماثلة لشواحن 10 واط القياسية ، ما يصل إلى 30 واط من خرج الطاقة وهو متوافق مع توصيل الطاقة. تم تحسينه للعمل مع أحدث طرازات iPhone و Samsung ، مما يتيح لك شحن هذه الأدوات بسرعة أكبر. بالمقارنة مع الشاحن القياسي لجهاز iPhone XS نفسه ، فإنه يوفر أكثر من ضعف سرعة الشحن. يمكن استخدامه أيضًا لشحن أجهزة كمبيوتر MacBook Pro و Air المحمولة.
شاحن PowerPort Atom III 60W ثنائي المقبس الصورة: anker.com
بالنسبة لمستخدمي أجهزة الكمبيوتر المحمولة المتعطشة للطاقة ، هناك طراز متقدم - Anker Atom PD2. إنه أكبر قليلاً من Atom PD1 المصغر ، ولكنه قادر على توفير ما يصل إلى 60 واط من الطاقة عند شحن جهاز واحد. أو قم بتزويد جهازين في وقت واحد بطاقة تصل إلى 30 واط - بفضل موصلين على العلبة ودائرة إمداد طاقة متوازية.
وتجدر الإشارة أيضًا إلى شاحن Atom III 60W. وهو متوفر أيضًا في نسختين - مع موصل واحد واثنين ودعم لتقنيات الشحن السريع بثلاثة تنسيقات شائعة: Apple Fast Charging و Samsung Fast Charging و USB-C Power Delivery.