窒化ガリウムに会います。彼はハンサムではないですか？画像：Solid_State / Wikimedia Commons
Habrの設立の夜明けに、私たちはHTC HD2スマートフォンを賞賛しました。その4.3インチの対角線は驚くべきもののようであり、1200mAhのバッテリーは心からの尊敬を呼び起こしました。もちろん、今日、これらの数字は笑顔を生み出すだけです。旗艦スクリーンが2倍になり、バッテリーが3倍になりました。パフォーマンス、カメラの数、バッテリーサイズの増加に伴い、高速充電テクノロジーの人気が高まっています。これは驚くべきことではありません。5Wアダプターで1500〜1700 mAhのバッテリーで十分だった場合、今では市場はバッテリー付きのスマートフォンでいっぱいです。 4500mAhより。
クイックチャージと電力供給の規格は、問題を部分的に解決しているだけでなく、スマートフォンメーカーからの加速充電のトピックに関する多数の独自のバリエーションもあります。もちろん、これには特別な充電コントローラーと複雑なアルゴリズムが必要でした（Galaxy Note 7の場合のように、リチウムバッテリーを短絡させたくはありません）。何らかの形で充電を加速するすべての方法は、電圧または動作電流を増やすことによって、充電器の電力を増やすことに依存していました。このような革新の副作用は、回路要素の動作温度と電源のサイズの上昇でした。そして、新しい材料が救いの手を差し伸べました。それは、半導体やマイクロエレクトロニクスですでに使用されている窒化ガリウム（GaN）です。
窒化ガリウムとは何ですか？なぜそれが必要なのですか？
現在のほとんどの半導体要素は、周期表で最も一般的な要素の1つであるシリコンを数十年にわたって使用しています。作業は比較的簡単で、ほとんどの場合、その特性は製品の作業特性を保証するのに十分です。残念ながら、この資料の機能が「ボトルネック」になっているアプリケーションの領域もあります。
一言で言えば、窒化ガリウムの有用性は、次の例で説明できます。スイッチング電源では、目標電圧は、所定のタイミングでトランジスタを繰り返しオン/オフ（回路内の電流を流すまたは切る）することによって得られます。そのため、従来のシリコントランジスタを導通状態から絶縁状態に切り替えると、大量の熱が放出され、動作効率が低下し、強力な電源でのそのような要素の使用が制限されます。
青色の半導体レーザーは、通常、窒化ガリウムまたはインジウム合金を使用して、目的の波長を生成します。写真：パンカキット/ウィキメディアコモンズ
窒化ガリウムの主な利点は、半導体の重要な特性であるバンドギャップにあります。広い意味で、「禁制帯」は、電子のエネルギーの違いを示し、電流伝導状態と原子価状態（すなわち、非伝導状態）を区別します。温度が上昇すると、半導体の特性が変化します。材料の原子の熱振動は、電子のエネルギーを増加させ、それらを導電状態に「ノック」します。
GaNトランジスタの特徴は、非常に広いバンドギャップです。シリコンアナログの1.12eVに対して3.40eVです。電源回路（特に動作中の加熱の影響を受けやすい）では、この利点により、一定のパフォーマンスを維持し、高温で効率を低下させることはありません。さらに、電荷キャリア密度が高いため、GaNトランジスタははるかに高い電流に耐えることができます。そして一般的に、窒化ガリウム結晶自体は高温に対してより耐性があります。
新しいものはすべて古いものを忘れてしまいます
その特性の最初の研究はXX世紀の40年代に始まり、すでに前世紀の90年代半ばに、最も有望な光電子材料の1つと見なされ始めました。彼が最初に幅広い用途を見つけたのはオプトエレクトロニクスであったことに注意する必要があります。窒化ガリウムは、青色スペクトルの放射を生成できる数少ない物質の1つです。したがって、たとえば、Blurayドライブ用のレーザーで使用されます。彼らはまたそれを耐紫外線ソーラーパネルで使用したいと思っていますが、これは別の話かもしれません。
GaNベースの構造は、光学デバイスだけでなく適切であることが証明されています。上記の特性は、トランジスタを含む電力およびマイクロ波電子機器のコンポーネントベースの開発に役立つことが判明しました。窒化ガリウムが普遍的な認識を真剣に主張することを可能にしたもう1つの重要なニュアンスは、価格と安全性でした。以前に占有されていたガリウムヒ素（ガリウムとヒ素の化合物）の製造は非常に困難です。さらに、GaAsは有毒で発癌性の化合物を形成する可能性があります。
100ボルトで動作する高速GaNトランジスタの顕微鏡写真。写真：Fraunhofer IAF
はい、今日のシリコン半導体は、プロセス自体がすでに徹底的に研究され、生産が微調整され、原材料がはるかに手頃な価格であるという事実のために安価です。ただし、そのような予約があっても、コストの差は重要な値に到達せず、最終製品の価格にはほとんど影響しません。将来について言えば、GaNへの大規模な移行は、シリコントランジスタを備えた電子機器と比較して、電力消費を10〜20％削減することにより、コストをまったく節約することを約束します。
実用
トランジスタの加熱を減らす唯一の方法は、トランジスタを完全な強度で動作させないこと（つまり、要素ベースを大きなマージンで使用すること）であるため、強力なシリコンベースのスイッチング電源は印象的なサイズです。高温で動作するGaNトランジスタの能力とそのようなモデルのコンパクトさにより、充填物を配置および冷却するために必要なケースの体積を大幅に減らすことができます。たとえば、ラップトップやスマートフォン用の電源アダプタのサイズは、パフォーマンスを維持しながら約半分に縮小できます。逆も当てはまります。メモリの全体的なサイズを維持し、パフォーマンスを向上させることができます。
そして本当にもっとコンパクト-同じパワーで。写真：アンカー
これが可能になる理由は表面にあります。窒化ガリウムの高密度で広帯域ギャップにより、最終デバイスの効率を大幅に向上させることができます。シリコントランジスタの場合、95％でさえ非常に適切であると見なされますが、GaNに基づくソリューションの場合、98〜99％に達します。最新の電源アダプタの電力を考慮に入れると、これにより発生する熱の量が大幅に削減され、シリコン半導体の動作モードの制限として機能します。そして、前述のGaNコンポーネントの高温での動作能力により、他のすべての条件が同じであれば、もう少し電力を絞り出すことができます。
もちろん、窒化ガリウムへの移行は、特にガジェットの充電器のコンテキストで考えると、ある種の革命を意味するものではありません。概して、このような「アップグレード」は、ハイパワーアダプターを切実に必要としている最新のスマートフォンの機能とニーズに近づくだけです。したがって、モバイル機器のメーカーが有望な材料を通過できなかったという事実に驚くことは何もありません。
画像：アンカー
現在、ほとんどすべての主要ベンダーが、デバイスの充電器でのGaNの使用に関する独自の研究に取り組んでおり、今後の大量使用は疑いの余地がありません。ただし、窒化ガリウム電源アダプタの楽しさを個人的に評価するために、数年待つ必要はありません。数年前からGaNを利用しているAnker充電器がすでに市場に出回っています。
アンカーとGaN
Ankerは長い間充電器の設計と製造を専門としてきましたが、このような有望な材料を通過することは不可能でした。窒化ガリウムの見通しを評価した結果、強力な充電器の作成に使用できるだけでなく、Type-C電源を備えたスマートフォンやラップトップに適した真にユニバーサルな電源を作成することも可能になりました。一度に複数の高速充電プロトコルのこのサポートに加えて、このような電源を使用すると、ユーザーはブランドに関係なく、ほぼすべてのガジェットをすばやく効率的に充電できます。
私たちのエンジニアの仕事の結果、電源セクションにGaNトランジスタを使用したAnkerAtomアダプタの全ラインが登場しました。それはすべて2017年に単一の充電器で始まりました-そして今、家族は一度にいくつかのソリューションを含むように拡大しました。たとえば、Anker Atom PD1は、標準の10W充電器に匹敵する寸法で、最大30Wの電力出力を提供し、電力供給技術と互換性があります。最新のiPhoneおよびSamsungモデルで動作するように最適化されているため、これらのガジェットを高速で充電できます。同じiPhoneXSのストック充電器と比較して、2倍以上の充電速度を提供します。 MacBookProおよびAirラップトップの充電にも使用できます。
PowerPort Atom III 60Wデュアルソケット充電器画像：anker.com
より電力を消費するラップトップのユーザー向けに、高度なモデルであるAnker AtomPD2があります。ミニチュアのAtomPD1よりもわずかに大きいですが、単一のデバイスを充電するときに最大60ワットの電力を供給することができます。または、ケースの2つのコネクタと並列電源回路のおかげで、一度に2つのガジェットに最大30Wの電力を供給できます。
また、Atom III60W充電器も注目に値します。また、2つのバージョンもあります。1つと2つのコネクタがあり、Apple Fast Charging、Samsung Fast Charging、USB-C PowerDeliveryの3つの一般的な形式で高速充電テクノロジーをサポートしています。