Temui galium nitrida. Bukankah dia tampan? Gambar: Solid_State / Wikimedia Commons
Pada awal pembentukan Habr, kami mengagumi smartphone HTC HD2: diagonal 4,3 inci tampak luar biasa, dan baterai 1200 mAh-nya membangkitkan rasa hormat yang tulus. Hari ini, tentu saja, angka-angka ini hanya menimbulkan senyuman: layar andalan menjadi dua kali lipat, dan baterai menjadi tiga kali lipat. Seiring dengan pertumbuhan kinerja, jumlah kamera dan ukuran baterai, popularitas teknologi pengisian cepat semakin meningkat, yang tidak mengherankan - jika adaptor 5 W cukup untuk baterai 1500-1700 mAh, maka sekarang pasar penuh dengan smartphone dengan baterai. dari 4500 mAh.
Standar Pengisian Cepat dan Pengiriman Daya sebagian telah menyelesaikan masalah, serta sejumlah besar variasi kepemilikan pada topik pengisian daya yang dipercepat dari produsen ponsel cerdas. Tentu saja, ini memerlukan pengontrol pengisian daya khusus dan algoritme yang rumit (tidak ada yang mau melakukan hubungan arus pendek pada baterai lithium, seperti yang terjadi pada Galaxy Note 7). Semua metode pengisian ulang yang dipercepat dalam satu bentuk atau lainnya bergantung pada peningkatan daya pengisi daya: dengan meningkatkan tegangan atau arus operasi. Efek samping dari inovasi tersebut adalah peningkatan suhu pengoperasian elemen sirkuit dan ukuran catu daya. Dan kemudian bahan baru datang untuk menyelamatkan - galium nitrida (GaN), yang telah digunakan dalam semikonduktor dan mikroelektronika.
Apa itu galium nitrida dan mengapa itu dibutuhkan?
Sebagian besar elemen semikonduktor saat ini telah menggunakan silikon selama beberapa dekade, salah satu elemen paling umum dalam tabel periodik. Ini relatif mudah untuk dikerjakan dan dalam banyak kasus karakteristiknya cukup untuk memastikan sifat kerja produk. Sayangnya, ada juga area aplikasi yang kapabilitas material ini menjadi "bottleneck".
Singkatnya, kegunaan galium nitrida dapat dijelaskan dengan contoh berikut: dalam catu daya switching, tegangan target diperoleh dengan menghidupkan dan mematikan transistor berulang kali (melewatkan atau mematikan arus di sirkuit) dengan timing tertentu. Jadi, ketika transistor silikon klasik dialihkan dari kondisi konduksi ke kondisi isolasi, sejumlah besar panas dilepaskan, yang mengurangi efisiensi operasi dan membatasi penggunaan elemen tersebut dalam catu daya yang kuat.
Laser semikonduktor biru biasanya menggunakan galium nitrida atau paduan indium untuk menghasilkan panjang gelombang yang diinginkan. Foto: Pang Kakit / Wikimedia Commons
Keuntungan utama galium nitrida terletak pada karakteristik utama semikonduktor: celah pita. Dalam arti luas, "pita terlarang" menunjukkan perbedaan energi elektron, yang membedakan keadaan konduksi arus dari keadaan valensi (yaitu, non-konduksi). Dengan meningkatnya suhu, karakteristik semikonduktor berubah karena getaran termal dari atom material meningkatkan energi elektron dan "menjatuhkannya" ke keadaan konduksi.
Fitur transistor GaN adalah celah pita yang sangat lebar - 3,40 eV versus 1,12 eV untuk analog silikon. Di sirkuit daya (yang sangat rentan terhadap pemanasan selama pengoperasian), keunggulan ini memungkinkan Anda mempertahankan karakteristik kinerja yang konstan dan tidak menurunkan efisiensi pada suhu yang lebih tinggi. Selain itu, karena kepadatan pembawa muatan yang tinggi, transistor GaN dapat menahan arus yang jauh lebih tinggi. Dan secara umum, kristal galium nitrida sendiri lebih tahan terhadap suhu tinggi.
Segala sesuatu yang baru sudah lama terlupakan
Studi pertama tentang propertinya dimulai pada 40-an abad XX, dan sudah di pertengahan 90-an abad terakhir, itu mulai dianggap sebagai salah satu bahan optoelektronik yang paling menjanjikan. Perlu dicatat bahwa di optoelektronik ia menemukan aplikasi luas di tempat pertama: galium nitrida adalah salah satu dari sedikit zat yang dapat menghasilkan radiasi dalam spektrum biru. Oleh karena itu, ini digunakan, misalnya, di laser untuk drive Bluray. Mereka juga ingin menggunakannya di sel surya tahan UV, tetapi ini bisa menjadi cerita tersendiri.
Struktur berbasis GaN terbukti cocok tidak hanya untuk perangkat optik. Ciri-ciri yang dijelaskan di atas ternyata berguna untuk pengembangan komponen basis listrik dan elektronika gelombang mikro, termasuk transistor. Nuansa penting lainnya yang memungkinkan galium nitrida secara serius mengklaim pengakuan universal adalah harga dan keamanan: galium arsenida (senyawa galium dan arsenik) yang sebelumnya ditempati sangat sulit untuk diproduksi, selain itu, GaAs dapat membentuk senyawa beracun dan karsinogenik.
Sebuah mikrograf dari transistor GaN berkecepatan tinggi yang beroperasi pada 100 volt. Foto: Fraunhofer IAF
Ya, saat ini semikonduktor silikon lebih murah karena prosesnya sendiri telah dipelajari secara menyeluruh, produksinya di-debug, dan bahan bakunya jauh lebih terjangkau. Namun, bahkan dengan reservasi seperti itu, perbedaan biaya tidak mencapai nilai yang signifikan dan memiliki pengaruh yang kecil terhadap harga produk akhir. Jika kita berbicara tentang masa depan, maka transisi skala besar ke GaN menjanjikan untuk menghemat uang sama sekali dengan mengurangi konsumsi daya sebesar 10-20% dibandingkan dengan elektronik dengan transistor silikon.
Penggunaan praktis
Karena satu-satunya cara untuk mengurangi pemanasan transistor adalah membuatnya bekerja tidak dengan kekuatan penuh (misalnya, ambil basis elemen dengan margin besar), catu daya switching berbasis silikon yang kuat memiliki ukuran yang mengesankan. Kemampuan transistor GaN untuk beroperasi pada suhu tinggi dan kekompakan model tersebut dapat secara signifikan mengurangi volume casing yang diperlukan untuk menempatkan dan mendinginkan pengisian. Misalnya, ukuran adaptor daya untuk laptop atau smartphone dapat dikurangi sekitar setengahnya dengan tetap menjaga performa. Kebalikannya juga benar: Anda dapat mempertahankan ukuran keseluruhan memori dan meningkatkan kinerjanya.
Dan benar-benar lebih ringkas - dengan kekuatan yang sama. Foto: Anker
Alasan mengapa ini menjadi mungkin terletak di permukaan. Kepadatan tinggi dan celah pita lebar galium nitrida dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi perangkat akhir. Sedangkan untuk transistor silikon bahkan 95% dianggap sangat layak, untuk solusi berdasarkan GaN mencapai 98-99%. Dengan mempertimbangkan kekuatan adaptor daya modern, ini secara signifikan mengurangi jumlah panas yang dihasilkan, yang bertindak sebagai pembatas untuk mode operasi semikonduktor silikon. Dan kemampuan komponen GaN yang disebutkan di atas untuk beroperasi pada suhu yang lebih tinggi memungkinkan Anda mengeluarkan lebih banyak daya, semua hal lainnya dianggap sama.
Tentu saja, transisi ke galium nitrida tidak berarti semacam revolusi, terutama jika kita mempertimbangkannya dalam konteks pengisi daya untuk gadget. Pada umumnya, "peningkatan" semacam itu hanya membuat mereka lebih dekat dengan kemampuan dan kebutuhan smartphone modern, yang sangat membutuhkan adaptor daya tinggi. Oleh karena itu, tidak ada yang mengherankan dalam kenyataan bahwa produsen perangkat seluler tidak dapat melewati bahan yang menjanjikan.
Gambar: Anker
Hampir semua vendor besar saat ini terlibat dalam penelitian mereka sendiri tentang penggunaan GaN dalam pengisi daya untuk perangkat mereka, dan penggunaan massal yang akan datang tidak diragukan lagi. Namun, untuk secara pribadi menghargai kelezatan adaptor daya galium nitrida, Anda tidak perlu menunggu beberapa tahun. Sudah ada pengisi daya Anker di pasaran yang telah memanfaatkan GaN selama beberapa tahun.
Anker dan GaN
Anker telah mengkhususkan diri dalam pengembangan dan produksi pengisi daya untuk waktu yang lama, dan sangat tidak mungkin bagi kami untuk melewatkan bahan yang begitu menjanjikan. Penilaian prospek gallium nitride memungkinkan tidak hanya untuk menerapkannya untuk membuat pengisi daya yang kuat, tetapi juga untuk menciptakan catu daya universal yang benar-benar cocok untuk smartphone dan laptop dengan catu daya Tipe-C. Tambahkan ke dukungan ini untuk beberapa protokol pengisian cepat sekaligus - dan dengan catu daya seperti itu, pengguna akan dapat mengisi daya hampir semua gadget dengan cepat dan efisien, apa pun mereknya.
Hasil kerja teknisi kami adalah munculnya seluruh lini adaptor Atom Anker menggunakan transistor GaN di bagian daya. Semuanya dimulai dengan satu pengisi daya pada tahun 2017 - dan sekarang keluarga tersebut telah berkembang dengan menyertakan beberapa solusi sekaligus. Misalnya, Anker Atom PD1, dengan dimensi yang sebanding dengan pengisi daya 10W standar, menghasilkan output daya hingga 30W dan kompatibel dengan teknologi Pengiriman Daya. Ini dioptimalkan untuk bekerja dengan model iPhone dan Samsung terbaru, memungkinkan Anda untuk mengisi daya gadget ini dengan kecepatan yang lebih tinggi. Dibandingkan dengan pengisi daya stok iPhone XS yang sama, ini memberikan lebih dari dua kali lipat kecepatan pengisian. Ini juga dapat digunakan untuk mengisi daya laptop MacBook Pro dan Air.
PowerPort Atom III 60W Dual Socket Charger Gambar: anker.com
Untuk pengguna laptop yang lebih haus daya, ada model lanjutan - Anker Atom PD2. Ini sedikit lebih besar dari miniatur Atom PD1, tetapi mampu menghasilkan daya hingga 60 watt saat mengisi daya satu perangkat. Atau sediakan beberapa gadget sekaligus dengan daya hingga 30 W - berkat dua konektor pada casing dan sirkuit catu daya paralel.
Yang juga perlu diperhatikan adalah pengisi daya Atom III 60W. Ini juga tersedia dalam dua versi - dengan satu dan dua konektor dan dukungan untuk teknologi pengisian cepat dalam tiga format populer: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging dan USB-C Power Delivery.