Rencontrez le nitrure de gallium. N'est-il pas beau? Image: Solid_State / Wikimedia Commons
A l'aube de la formation de Habr, on admirait le smartphone HTC HD2: sa diagonale de 4,3 pouces semblait être quelque chose d'incroyable, et sa batterie de 1200 mAh suscitait un respect sincère. Aujourd'hui, bien sûr, ces chiffres ne font que sourire: les écrans phares ont doublé et les batteries ont triplé. Parallèlement à la croissance des performances, au nombre d'appareils photo et aux tailles de batterie, la popularité de la technologie de charge rapide augmente également, ce qui n'est pas surprenant - si un adaptateur 5 W suffisait pour une batterie 1500-1700 mAh, alors le marché regorge désormais de smartphones avec batteries plus que 4500 mAh.
Les normes Quick Charge et Power Delivery ont partiellement résolu le problème, ainsi qu'un grand nombre de variantes propriétaires sur le sujet de la charge accélérée des fabricants de smartphones. Bien entendu, cela nécessitait des contrôleurs de charge spéciaux et des algorithmes complexes (personne ne veut court-circuiter une batterie au lithium, comme c'était le cas avec le Galaxy Note 7). Toutes les méthodes de reconstitution accélérée de la charge sous une forme ou une autre reposaient sur l'augmentation de la puissance du chargeur: via une augmentation de la tension ou du courant de fonctionnement. Un effet secondaire de ces innovations était une augmentation des températures de fonctionnement des éléments du circuit et de la taille de l'alimentation électrique. Et puis un nouveau matériau est venu à la rescousse: le nitrure de gallium (GaN), déjà utilisé dans les semi-conducteurs et la microélectronique.
Qu'est-ce que le nitrure de gallium et pourquoi est-il nécessaire?
La plupart des éléments semi-conducteurs actuels utilisent le silicium depuis des décennies, l'un des éléments les plus courants du tableau périodique. Il est relativement facile à travailler et, dans la plupart des cas, ses caractéristiques sont suffisantes pour garantir les propriétés de travail des produits. Malheureusement, il existe également des domaines d'application où les capacités de ce matériau sont devenues un «goulot d'étranglement».
En un mot, l'utilité du nitrure de gallium peut être décrite par l'exemple suivant: dans une alimentation à découpage, la tension cible est obtenue en activant et désactivant à plusieurs reprises les transistors (passage ou coupure du courant dans le circuit) avec un timing donné. Ainsi, lorsqu'un transistor au silicium classique passe d'un état conducteur à un état isolant, une grande quantité de chaleur est libérée, ce qui réduit l'efficacité de fonctionnement et limite l'utilisation de tels éléments dans des alimentations puissantes.
Un laser à semi-conducteur bleu utilise généralement du nitrure de gallium ou un alliage d'indium pour produire la longueur d'onde souhaitée. Photo: Pang Kakit / Wikimedia Commons
Le principal avantage du nitrure de gallium réside dans une caractéristique clé d'un semi-conducteur: la bande interdite. Dans un sens large, la «bande interdite» indique la différence des énergies d'un électron, qui distingue un état conducteur de courant d'un état valence (c'est-à-dire non conducteur). Avec l'augmentation des températures, les caractéristiques du semi-conducteur changent, car les vibrations thermiques des atomes du matériau augmentent l'énergie des électrons et les «font passer» dans un état conducteur.
Une caractéristique des transistors GaN est une bande interdite extrêmement large - 3,40 eV contre 1,12 eV pour les analogues de silicium. Dans les circuits de puissance (qui sont particulièrement sensibles au chauffage pendant le fonctionnement), cet avantage vous permet de maintenir des caractéristiques de performance constantes et ne dégrade pas l'efficacité à des températures plus élevées. De plus, en raison de la densité élevée des porteurs de charge, les transistors GaN peuvent résister à des courants beaucoup plus élevés. Et en général, les cristaux de nitrure de gallium eux-mêmes sont plus résistants aux températures élevées.
Tout ce qui est nouveau est bien oublié vieux
Les premières études de ses propriétés ont commencé dans les années 40 du XXe siècle, et déjà au milieu des années 90 du siècle dernier, il a commencé à être considéré comme l'un des matériaux optoélectroniques les plus prometteurs. Il est à noter que c'est en optoélectronique qu'il a trouvé une large application en premier lieu: le nitrure de gallium est l'une des rares substances capables de générer des rayonnements dans le spectre bleu. Par conséquent, il est utilisé, par exemple, dans ces mêmes lasers pour les lecteurs Bluray. Ils veulent également l'utiliser dans des panneaux solaires résistants aux UV, mais cela peut être une autre histoire.
Les structures à base de GaN se sont avérées adaptées non seulement aux dispositifs optiques. Les caractéristiques décrites ci-dessus se sont avérées utiles pour le développement d'une base de composants pour l'électronique de puissance et hyperfréquence, y compris les transistors. Une autre nuance importante qui a permis au nitrure de gallium de revendiquer sérieusement une reconnaissance universelle était le prix et la sécurité: l'arséniure de gallium précédemment occupé (un composé de gallium et d'arsenic) est extrêmement difficile à produire, de plus, le GaAs peut former des composés toxiques et cancérigènes.
Une micrographie d'un transistor GaN à haute vitesse fonctionnant à 100 volts. Photo: Fraunhofer IAF
Oui, aujourd'hui, les semi-conducteurs en silicium sont moins chers en raison du fait que le processus lui-même a été minutieusement étudié, que la production est affinée et que les matières premières sont beaucoup plus abordables. Cependant, même avec de telles réserves, la différence de coût n'atteint pas des valeurs significatives et a peu d'effet sur le prix du produit final. Si nous parlons de l'avenir, une transition à grande échelle vers le GaN promet d'économiser de l'argent en réduisant la consommation d'énergie de 10 à 20% par rapport à l'électronique avec des transistors en silicium.
Utilisation pratique
Étant donné que le seul moyen de réduire l'échauffement des transistors est de les faire fonctionner à pleine puissance (c'est-à-dire prendre la base de l'élément avec une grande marge), les puissantes alimentations à découpage à base de silicium sont d'une taille impressionnante. La capacité des transistors GaN à fonctionner à des températures élevées et la compacité de tels modèles peuvent réduire considérablement le volume requis du boîtier pour placer et refroidir le remplissage. Par exemple, la taille d'un adaptateur secteur pour un ordinateur portable ou un smartphone peut être réduite d'environ la moitié tout en maintenant les performances. L'inverse est également vrai: vous pouvez conserver la taille globale de la mémoire et améliorer ses performances.
Et vraiment plus compact - avec la même puissance. Photo: Anker
Les raisons pour lesquelles cela devient possible résident à la surface. La haute densité et la large bande interdite du nitrure de gallium peuvent considérablement augmenter l'efficacité des dispositifs finaux. Alors que pour les transistors en silicium, même 95% est considéré comme très décent, pour les solutions à base de GaN, il atteint 98 à 99%. Compte tenu de la puissance des adaptateurs de puissance modernes, cela réduit considérablement la quantité de chaleur générée, qui agit comme un limiteur pour les modes de fonctionnement des semi-conducteurs en silicium. Et la capacité susmentionnée des composants GaN à fonctionner à des températures plus élevées vous permet de tirer un peu plus de puissance, toutes choses étant égales par ailleurs.
Bien entendu, le passage au nitrure de gallium ne signifie pas une sorte de révolution, surtout si on l'envisage dans le contexte des chargeurs pour gadgets. Dans l'ensemble, une telle «mise à niveau» ne fait que les rapprocher des capacités et des besoins des smartphones modernes, qui ont cruellement besoin d'adaptateurs haute puissance. Il n'y a donc rien d'étonnant à ce que les fabricants d'équipements mobiles ne puissent pas passer par un matériau prometteur.
Image: Anker
Presque tous les principaux fournisseurs sont actuellement engagés dans leurs propres recherches sur l'utilisation du GaN dans les chargeurs de leurs appareils, et son utilisation de masse à venir ne fait aucun doute. Cependant, pour apprécier personnellement les délices des adaptateurs de puissance en nitrure de gallium, vous n'avez pas à attendre plusieurs années. Il existe déjà sur le marché des chargeurs Anker qui profitent du GaN depuis plusieurs années.
Anker et GaN
Anker est spécialisé dans le développement et la production de chargeurs depuis longtemps, et il nous était tout simplement impossible de passer par un matériau aussi prometteur. L'évaluation des perspectives du nitrure de gallium a permis non seulement de l'utiliser pour créer des chargeurs puissants, mais aussi de créer une alimentation véritablement universelle adaptée aux smartphones et ordinateurs portables avec alimentation de type C. Ajoutez à cela la prise en charge de plusieurs protocoles de charge rapide à la fois - et avec une telle alimentation, l'utilisateur pourra charger presque tous les gadgets rapidement et efficacement, quelle que soit la marque.
Le résultat du travail de nos ingénieurs a été l'émergence de toute une gamme d'adaptateurs Anker Atom utilisant des transistors GaN dans la partie puissance. Tout a commencé avec un seul chargeur en 2017 - et maintenant la famille s'est élargie pour inclure plusieurs solutions à la fois. Par exemple, l'Anker Atom PD1, avec des dimensions comparables aux chargeurs 10W standard, délivre jusqu'à 30W de puissance de sortie et est compatible avec la technologie Power Delivery. Il est optimisé pour fonctionner avec les derniers modèles d'iPhone et de Samsung, vous permettant de charger ces gadgets à une vitesse accrue. En comparaison avec le chargeur standard du même iPhone XS, il offre plus du double de la vitesse de charge. Il peut également être utilisé pour charger les ordinateurs portables MacBook Pro et Air.
Chargeur à double prise PowerPort Atom III 60 W Image: anker.com
Pour les utilisateurs d'ordinateurs portables plus gourmands en énergie, il existe un modèle avancé - Anker Atom PD2. Il est légèrement plus grand que l'Atom PD1 miniature, mais est capable de fournir jusqu'à 60 watts de puissance lors du chargement d'un seul appareil. Ou fournissez à quelques gadgets à la fois une puissance allant jusqu'à 30 W - grâce à deux connecteurs sur le boîtier et à un circuit d'alimentation parallèle.
A noter également le chargeur Atom III 60W. Il est également disponible en deux versions - avec un et deux connecteurs et prise en charge des technologies de charge rapide dans trois formats populaires: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging et USB-C Power Delivery.