Стандартные пол-ампера от USB 2.0 когда-то казались абсолютно разумной величиной. А мобильники (да и смартфоны) заряжались всю ночь. Сейчас скорость зарядки гаджета меньше 50% в час кажется нам каким-то архаизмом и дикостью. Как и огромные блоки питания размером с полтелефона. Во многом мощный и компактный зарядник стал доступен благодаря одному материалу — нитриду галлия. О нём сегодня и поговорим.

На заре становления «Хабра» мы восхищались смартфоном HTC HD2: его 4,3 дюйма диагонали казались чем-то невероятным, а батарейка на 1200 мА·ч вызывала искреннее уважение. Сегодня, конечно, эти цифры вызывают лишь улыбку: экраны флагманов стали больше вдвое, а аккумуляторы — втрое. Вместе с ростом производительности, числа камер и объёмов АКБ растёт и популярность технологии быстрой зарядки, что и неудивительно — если для батареи на 1500–1700 мА·ч было достаточно и адаптера на 5 Вт, то к настоящему времени на рынке полно смартфонов с аккумуляторами более чем на 4500 мА·ч.

Частично решили проблему стандарты Quick Charge и Power Delivery, а также большое количество проприетарных вариаций на тему ускоренной зарядки от производителей смартфонов. Само собой, это требовало специальных зарядных контроллеров и сложных алгоритмов (никто же не хочет устроить короткое замыкание в литиевой батарейке, как было с Galaxy Note 7). Все способы ускоренного пополнения заряда в том или ином виде опирались на увеличение мощности зарядного устройства: через повышение напряжения или рабочего тока. Побочным эффектом таких нововведений стал рост рабочих температур элементов цепей и размеров БП. И тут на выручку пришёл новый материал — нитрид галлия (GaN), который уже использовался в полупроводниках и микроэлектронике.

Что за нитрид галлия и зачем он нужен?

В большинстве текущих полупроводниковых элементах уже не первое десятилетие используется кремний — один из самых распространённых элементов таблицы Менделеева. С ним сравнительно легко работать и в большинстве случаев его характеристик достаточно для обеспечения рабочих свойств выпускаемой продукции. К сожалению, существуют и сферы применения, где возможности этого материала стали «бутылочным горлышком».

В двух словах полезность нитрида галлия можно описать следующим примером: в импульсном блоке питания целевое напряжение получается многократным включением и выключением транзисторов (пропускающих или отключающих ток в цепи) с заданным таймингом. Так вот, при переключении классического кремниевого транзистора из проводящего состояния в изолирующее выделяется большое количество тепла, что снижает эффективность работы и ограничивает применение таких элементов в мощных источниках питания.

Основное преимущество нитрида галлия заключается в ключевой характеристике полупроводника: ширине запрещённой зоны. В широком понимании «запрещённая зона» показывает разницу в энергиях электрона, которая отличает проводящее ток состояние от валентного (т.е. непроводящего). С ростом температур меняются характеристики полупроводника, т.к. тепловые колебания атомов материала повышают энергию электронов и «выбивают» их в проводящее состояние.

Особенностью GaN-транзисторов является крайне широкая запрещённая зона — 3,40 эВ против 1,12 эВ у кремниевых аналогов. В цепях питания (которые особенно подвержены нагреву в процессе работы) подобное преимущество позволяет сохранять постоянные характеристики работы и не снижать эффективность при более высоких температурах. Помимо этого, благодаря высокой плотности носителей заряда GaN-транзисторы выдерживают гораздо большие токи. Да и в целом кристаллы нитрида галлия сами по себе более устойчивы к воздействию высоких температур.