GaN充電器の利点

CES 2020では、窒化ガリウム（GaN）充電器がいたるところにありました。シリコンに代わるこの現代的な選択肢は、より小さく、より効率的な充電器や電源アダプターが登場することを意味します。仕組みは以下の通りです。

GaN充電器は、現在の充電器よりも物理的に小さいです。これは、窒化ガリウム充電器はシリコン充電器ほど多くのコンポーネントを必要としないためです。この素材は、シリコンよりもはるかに高い電圧を長時間伝導できます。

GaN充電器は電流伝送においてより効率的であるだけでなく、熱によるエネルギー損失も少なくなります。そのため、充電しようとしているものにより多くのエネルギーが供給されます。コンポーネントがデバイスにエネルギーを効率的に渡せるようになると、一般的にそれらのコンポーネントの必要数は少なくなります。

その結果、この技術がより普及すると、GaN電源アダプターや充電器は目に見えて小さくなるでしょう。ワイヤレス電力伝送を高速化するスイッチング周波数の向上や、充電器とデバイス間の「エアギャップ」の拡大など、他の利点もあります。

現在、GaN半導体は一般的にシリコン製のものよりもかなり高価です。しかし、効率の向上により、ヒートシンク、フィルター、回路素子などの追加材料への依存度が低下しています。あるメーカーは、この分野で10〜20％のコスト削減を見積もっています。大規模生産の経済的利点が活かせば、さらに改善される可能性があります。

より効率的な充電器はエネルギーの無駄を減らすため、電気代も少し節約できるかもしれません。ただし、ラップトップやスマートフォンなどの比較的低電力のデバイスで大きな変化を期待しないでください。

窒化ガリウムとは？
窒化ガリウムは、1990年代にLEDの製造を通じて注目を集めた半導体材料です。GaNは、最初の白色LED、青色レーザー、そして日中に見えるフルカラーLEDディスプレイの製造に使用されました。Blu-ray DVDプレーヤーでは、GaNがDVDから情報を読み取る青色光を生成します。

GaNはまもなく多くの分野でシリコンに取って代わるでしょう。シリコンメーカーは長年にわたり、シリコンベースのトランジスタを改善するために精力的に取り組んできました。フェアチャイルドセミコンダクターの共同創業者であり、後にインテルのCEOとなったゴードン・ムーアにちなんで名付けられたムーアの法則によれば、集積シリコントランジスタの数は約2年ごとに倍増します。

この観測は1965年に行われ、過去50年間ほぼ真実でした。しかし、2010年には半導体の進歩が初めてこのペースを下回りました。多くのアナリスト（ムーア自身も含む）は、ムーアの法則は2025年までに時代遅れになると予測しています。

GaNトランジスタの製造は2006年に本格化しました。製造プロセスの改善により、GaNトランジスタはシリコン製のものと同じ施設で製造されることが多くなっています。これによりコストが抑えられ、より多くのシリコンメーカーがGaNを使用してトランジスタを製造することを奨励しています。

なぜ窒化ガリウムはシリコンよりも優れているのか？
シリコンと比較した場合のGaNの利点は、電力効率に集約されます。窒化ガリウムに特化したメーカーであるGaN Systemsは次のように説明しています。

「すべての半導体材料には、バンドギャップと呼ばれるものがあります。これは、電子が存在できない固体内のエネルギーの空隙です。簡単に言うと、バンドギャップは固体材料がどれだけうまく電気を伝導できるかに関連しています。窒化ガリウムは、シリコンの1.12 eVに対して3.4 eVのバンドギャップを持っています。窒化ガリウムのより広いバンドギャップは、シリコンよりも高い電圧とより高い温度に耐えられることを意味します。」

別のGaNメーカーであるEfficient Power Conversion Corporationは、GaNはシリコンよりも1000倍効率的に電子を伝導でき、さらに製造コストも低いと述べています。

より高いバンドギャップ効率は、GaNチップをシリコンチップよりも速く電流が通過できることを意味します。将来的には、より高速な処理能力につながる可能性があります。簡単に言うと、GaN製のチップはシリコン製のものよりも高速、小型、電力効率が高く、（最終的には）安価になるでしょう。