밴드간 터널링 (Band-to-Band Tunneling)
쉽게 풀면
일반적으로 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하려면 밴드갭만큼의 에너지를 흡수해야 합니다. 하지만 전계가 매우 강하고 두 밴드 사이의 공간적 거리가 매우 좁으면, 전자는 마치 지름길을 통과하듯 에너지 장벽을 고전적으로 넘지 않고 곧바로 반대편 밴드로 이동할 수 있습니다. 좁은 골목을 통해 지름길로 빠져나가는 모습에 비유할 수 있습니다.
왜 중요한가
이 현상은 터널링 전계효과 트랜지스터처럼 낮은 문턱전압으로 동작하는 초저전력 소자를 설계하는 원리로 활용되며, 동시에 고전압 소자에서는 원치 않는 누설전류나 항복 현상의 원인이 되기도 하여 두 측면에서 모두 중요하게 다뤄집니다. 터널링 확률은 밴드갭의 크기와 전계 강도에 지수적으로 민감하게 반응하므로, 밴드갭이 좁은 물질을 사용하면 상대적으로 낮은 전압에서도 터널링 전류를 크게 만들 수 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
밴드간 터널링을 활용해 소자의 전류 특성을 향상시키려는 설계 목적을 보여줍니다.
같은 현상이 다른 소자에서는 원치 않는 누설 전류의 원인으로 작용하는 사례를 설명합니다.
조금 더 깊게 보면
밴드간 터널링의 발생 확률은 반도체의 밴드갭 크기와 접합에 걸리는 전계의 세기에 크게 좌우되며, 밴드갭이 좁고 전계가 강할수록 터널링이 더 쉽게 일어납니다. 이러한 특성 때문에 터널링 전계효과 트랜지스터 연구에서는 게르마늄이나 III-V족 화합물 반도체처럼 밴드갭이 좁은 재료가 흔히 검토됩니다. 매우 강한 전기장이 걸린 얇은 공핍영역에서 가전자대의 전자가 고전적인 열적 여기 없이도 곧바로 전도대의 빈 상태로 양자역학적으로 건너뛰는 현상으로, 채널이 미세화될수록 소자 내부의 국소 전계가 강해지면서 나타나기 쉬워집니다.
주의할 점
밴드간 터널링은 원하는 방향으로 활용되면 저전력 소자의 장점이 되지만, 설계 의도와 다르게 발생하면 소자의 오프상태 누설전류를 늘려 성능을 저하시킬 수 있으므로 맥락에 따라 다르게 평가해야 합니다. 일반 MOSFET에서는 이 현상이 오프 상태에서도 사라지지 않는 누설전류의 원인이 되어 억제 대상이지만, 터널링 전계효과트랜지스터에서는 이를 스위칭 원리로 적극 이용한다는 점에서 상반된 취급을 받습니다.