遇见氮化镓。他不是很帅吗？图片：Solid_State / Wikimedia Commons
在哈伯（Habr）诞生之初，我们很欣赏HTC HD2智能手机：它的4.3英寸对角线看起来令人难以置信，其1200 mAh电池引起了真诚的尊重。当然，今天，这些数字只会让人微笑：旗舰屏幕翻了一番，电池翻了三倍。随着性能，相机数量和电池尺寸的增长，快速充电技术的普及也在增长，这不足为奇-如果5 W适配器足以容纳1500至1700 mAh电池，那么到目前为止，市场上充满了配备更多电池的智能手机超过4500 mAh。
快速充电和电力输送标准已经部分解决了该问题，并且智能手机制造商提供了许多有关加速充电的专有版本。当然，这需要特殊的充电控制器和复杂的算法（没人希望像Galaxy Note 7那样使锂电池短路）。所有以一种形式或另一种形式加速充电的方法都依赖于增加充电器的功率：通过增加电压或工作电流来实现。这种创新的副作用是电路元件的工作温度和电源尺寸的增加。然后抢救了一种新材料-氮化镓（GaN），该材料已用于半导体和微电子领域。
什么是氮化镓？为什么需要氮化镓？
数十年来，大多数当前的半导体元件都使用硅，这是元素周期表中最常见的元素之一。它相对容易操作，并且在大多数情况下，其特性足以确保产品的工作性能。不幸的是，在某些应用领域中，这种材料的功能已成为“瓶颈”。
简而言之，氮化镓的有用性可以通过以下示例来描述：在开关电源中，目标电压是通过在给定的定时下反复导通和关断晶体管（通过或关断电路中的电流）来获得的。因此，当传统的硅晶体管从导通状态切换到绝缘状态时，会释放大量的热量，这降低了工作效率并限制了此类元件在强大的电源中的使用。
蓝色半导体激光器通常使用氮化镓或铟合金来产生所需的波长。照片：Pang Kakit /维基共享资源
氮化镓的主要优点在于半导体的关键特性：带隙。在广义上，“禁带”表示电子的能量差，其将电流导电状态与价态（即非导电）区分开。随着温度的升高，半导体的特性发生变化，因为材料原子的热振动会增加电子的能量，并将其“敲”成导电状态。
GaN晶体管的一个特点是具有极宽的带隙-3.40 eV，而硅类似物为1.12 eV。在电源电路（特别容易在运行过程中受热的电路）中，此优点使您可以保持稳定的性能，而不会在较高温度下降低效率。另外，由于高的载流子密度，GaN晶体管可以承受更高的电流。通常，氮化镓晶体本身更耐高温。
一切新事物都被遗忘了
对其性能的首次研究始于20世纪40年代，并且已经在上世纪90年代中期开始被认为是最有前途的光电材料之一。应当指出的是，他首先在光电领域得到了广泛的应用：氮化镓是少数能够产生蓝光谱辐射的物质之一。因此，例如，它用于蓝光驱动器的那些激光器中。他们还想在抗紫外线的太阳能电池中使用它，但这可能是另外一回事了。
事实证明，基于GaN的结构不仅适用于光学器件。事实证明，上述特性可用于开发功率和微波电子器件（包括晶体管）的组件库。氮化镓能够引起人们广泛认可的另一个重要差异是价格和安全性：先前占据的砷化镓（镓和砷的化合物）极难生产，此外，GaAs可以形成有毒和致癌的化合物。
在100伏特下工作的高速GaN晶体管的显微照片。图片：Fraunhofer IAF
是的，由于工艺本身已经被充分研究，调试生产并且原材料的价格更便宜，因此当今的硅半导体更便宜。但是，即使有这样的保留，成本差异也不会达到可观的价值，并且对最终产品的价格影响很小。如果我们谈论未来，那么与采用硅晶体管的电子产品相比，向GaN的大规模过渡有望通过将功耗降低10％至20％来完全节省资金。
实际使用
由于减少晶体管发热的唯一方法是使它们不以全部强度工作（即以较大的裕量占用元件基极），因此强大的硅基开关电源的尺寸令人印象深刻。 GaN晶体管在高温下工作的能力以及此类模型的紧凑性可以大大减少用于放置和冷却填充物的外壳所需的体积。例如，笔记本电脑或智能手机的电源适配器的尺寸可以减少约一半，同时保持性能。反之亦然：您可以保留内存的整体大小并提高其性能。
而且实际上更紧凑-具有相同的功能。照片：安克
表面上使之成为可能的原因。氮化镓的高密度和宽带隙可以显着提高最终器件的效率。尽管对于硅晶体管来说，甚至95％都被认为是非常不错的，但是对于基于GaN的解决方案，它达到了98-99％。考虑到现代电源适配器的功率，这显着减少了产生的热量，而热量则限制了硅半导体的工作模式。在所有其他条件相同的情况下，上述GaN组件在较高温度下运行的能力使您可以挤出更多的功率。
当然，向氮化镓的过渡并不意味着某种革命，特别是如果我们在小工具充电器的背景下考虑它的话。总的来说，这种“升级”仅使它们更接近现代智能手机的功能和需求，而现代智能手机迫切需要大功率适配器。因此，移动设备制造商无法接受有前途的材料这一事实不足为奇。
图片：Anker
几乎所有主要的供应商目前都在就其设备中的充电器中使用GaN进行自己的研究，毫无疑问，GaN即将大量使用。但是，为了亲自欣赏氮化镓电源适配器的乐趣，您不必等待几年。市场上已经有使用了GaN多年的Anker充电器。
安克和氮化镓
长期以来，Anker一直专注于充电器的开发和生产，而我们根本不可能通过这种有前途的材料。通过评估氮化镓的前景，不仅可以将其用于创建功能强大的充电器，还可以创建真正适用于具有C型电源的智能手机和笔记本电脑的通用电源。一次又添加了对几种快速充电协议的支持-借助这样的电源，无论品牌如何，用户都可以快速，高效地为几乎所有小工具充电。
我们工程师的工作成果是出现了在电源部分使用GaN晶体管的整条Anker Atom适配器系列。这一切都始于2017年的单个充电器-如今，该家族已经扩展到可以同时包含多个解决方案。例如，Anker Atom PD1的尺寸可与标准10W充电器媲美，可提供高达30W的功率输出，并且与Power Delivery兼容。它经过优化，可与最新的iPhone和Samsung型号配合使用，从而使您可以为这些小工具更快地充电。与相同iPhone XS的标准充电器相比，它提供了两倍以上的充电速度。它还可以用于为MacBook Pro和Air笔记本电脑充电。
PowerPort Atom III 60W双插槽充电器图片：anker.com
对于更渴望使用笔记本电脑的用户，有一个高级型号-Anker Atom PD2。它比微型Atom PD1稍大，但在为单个设备充电时能够提供高达60瓦的功率。或一次提供几个功率高达30 W的小工具-这要归功于外壳上的两个连接器和一个并行电源电路。
同样值得注意的是Atom III 60W充电器。它还有两个版本-具有一个和两个连接器，并支持三种流行格式的快速充电技术：Apple Fast Charging，Samsung Fast Charging和USB-C Power Delivery。