窒化ガリウム充電器：その概要と優れた点

窒化ガリウムを使用した充電器が市場に登場し始めています。適度なサイズでありながらデバイスに大量の電力を供給でき、従来の充電器よりも場所をとりません。AppleInsiderは、充電器に何が変わったのか、そしてそれがアクセサリ業界をどのように再定義するのかを解説します。

窒化ガリウムとは何ですか?

窒化ガリウム（GaN）は、シリコンと同様に電子機器用チップの製造に使用できる半導体です。GaNは透明な結晶材料で、過去30年間、LEDの製造に広く使用されてきました。その高周波特性により、紫色レーザーダイオードの製造が可能となっています。

シリコンはチップ製造の主要材料ですが、熱伝導と電気伝導に関する特性の限界により、チップメーカーにとってシリコンの取り扱いはますます困難になっています。チップ製造プロセスの微細化競争が激化するにつれ、メーカーはいずれ、異なる方法でプロセッサを製造できる他の材料に目を向けざるを得なくなるでしょう。

窒化ガリウム結晶 [Wikipediaより]

GaNは現在、シリコンに代わる最有力候補であり、その主な理由は「バンドギャップ」効率にあります。「バンドギャップ」とは、物質の電気伝導率を指し、バンドギャップが広いほど、より高い電圧でも問題なく使用できます。

シリコンに比べてどのような利点がありますか?

GaNの場合、バンドギャップはシリコンよりもかなり大きいため、時間の経過とともにはるかに高い電圧を伝導することができます。また、バンドギャップが大きいということは、GaN製のチップをシリコンよりも速く電流が流れることを意味し、結果として処理速度をさらに向上させることができます。

バンドギャップ効率は、処理速度以外にも様々なメリットをもたらします。例えば、エネルギーの通過が容易になるため、GaNチップで同様のメリットを得るのに必要な電力は少なくなります。

この効率性により、プロセッサが負荷時に発熱した場合など、エネルギー損失が最小限に抑えられるため、チップの小型化も可能になります。これは、シリコンプロセッサのフットプリントにより多くの機能を詰め込むことができる、あるいはフットプリント自体を縮小することで、製造時の材料使用量を削減し、ひいては物理的なサイズも削減できることを意味します。

より高い電圧容量は、充電器などの電力転送を伴うシステムにも適しており、また、より高温で動作できるため、これを使用するコンポーネントを熱がそれほど問題にならない場所に取り付けることもできます。

これは充電器とどう関係があるのでしょうか?

最も単純な充電器は、バッテリーに電流を流すことで、バッテリー内部の化学反応を逆転させようとします。初期の充電器はバッテリー自体を監視せずに継続的に電流を流していたため、過充電やバッテリーの損傷につながる可能性がありましたが、後期型には電流を時間とともに変化させる監視システムが搭載されており、過充電の可能性を最小限に抑えています。

最新の充電器や、ThunderboltドックやMacBookに電力を供給するモニターなど、他のデバイスに「電力供給」を提供するハードウェアは、デバイスにかなりの量の電力を供給することがあります。「急速充電」機能を備えた充電器の場合、スマートフォンのバッテリーは短時間で利用可能な電力の半分まで充電され、その後、充電が完了するにつれて低電流レベルに戻ります。

Thunderbolt ポートは、通常、データ転送と同時に MacBook に電力を供給するために使用されます。

携帯電話やデバイスの充電器の場合、高電圧 GaN を使用すると、シリコンよりもはるかに高い効率でより多くの電力を転送できるため、この種の用途により適したものになります。

GaN コンポーネントはシリコンコンポーネントよりも小型化できるため、より多くの電力を GaN コンポーネントに伝達できます。つまり、複数のシリコンコンポーネントに頼るのではなく、GaN コンポーネントに多くの機能を組み込むことができ、充電器に必要なコンポーネントの量が減り、充電器全体のサイズを小さくできる可能性があります。

消費者は、GaN 充電器が現行世代の充電器よりも小型になることを期待できます。また、同じサイズを維持しながら、より多くのデバイスに電力を供給できる機能を備えたものや、MacBook などの高ワット数のアイテムを簡単に充電できるものも期待できます。

GaN 充電器が従来の大型充電器と比べていかに小型であるかを示す例。[Anker 経由]

なぜいまだに古い充電技術が使われているのでしょうか?

一言で言えば、お金です。

シリコン部品の製造プロセスは既に広く確立されており、部品単価は比較的安価です。一方、GaNはまだ商業化の初期段階にあるため、シリコンよりも製造コストが高くなっています。そのため、GaN部品の製造におけるメリットが費用対効果の高いものになるまでは、企業にとってGaNへの移行を促すインセンティブは薄いでしょう。

現時点では、GaN コンポーネントを生産している半導体ベンダーはわずか数社に過ぎず、大手半導体製造メーカーがチップにこの素材を大規模に使用し始めない限り、コストは下がらないだろう。

つまり、GaNを採用している充電器メーカーはそれほど多くないということです。しかし、供給とコストがより適正化すれば、この状況は変わる可能性があります。とはいえ、現在、いくつかの企業がこの技術の利点を活用しています。