밴드간 터널링 (Band-to-Band Tunneling)
한 줄 정의: 반도체의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 직접 양자역학적으로 통과하여 이동하는 현상으로, 강한 전계가 걸린 얇은 접합에서 주로 나타납니다.
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.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"터널링 전계효과 트랜지스터의 온전류는 밴드간 터널링 확률에 크게 의존하므로, 소스와 채널 접합의 전계 분포를 최적화하였다."
밴드간 터널링을 활용해 소자의 전류 특성을 향상시키려는 설계 목적을 보여줍니다.
"고전압 MOSFET의 드레인 접합에서 발생하는 밴드간 터널링에 의한 누설전류를 시뮬레이션으로 분석하였다."
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.
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.