터널 다이오드 (Tunnel Diode)
쉽게 풀면
보통의 다이오드는 전압을 높이면 전류도 함께 증가합니다. 하지만 터널 다이오드는 접합부가 매우 얇고 도핑 농도가 높아서, 전자가 에너지 장벽을 고전적으로 넘지 않고 양자역학적으로 순간이동하듯 통과하는 터널링 현상이 일어납니다. 이 때문에 특정 전압 구간에서는 전압을 올릴수록 오히려 전류가 줄어드는 특이한 구간이 나타납니다. 마치 문을 더 세게 밀수록 오히려 문이 덜 열리는 것처럼 직관과 반대되는 동작입니다.
왜 중요한가
음성저항 특성은 고속 스위칭 회로나 발진기 설계에 활용될 수 있어, 초고속 반도체 소자와 양자 터널링 현상을 연구하는 데 있어 역사적으로나 이론적으로나 중요한 소자로 다뤄집니다. 부성저항 구간 이후 전압이 더 커지면 일반 PN 다이오드와 같은 열적 확산에 의한 순방향 전류가 다시 우세해져 전류가 재차 증가하는 구간이 나타납니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
음성저항 구간을 활용해 회로를 설계한 응용 사례를 설명합니다.
터널링 현상이 두드러지도록 소자를 설계했다는 의미입니다.
조금 더 깊게 보면
터널 다이오드의 전류-전압 곡선은 낮은 전압에서 터널링 전류가 지배적으로 증가하다가, 특정 전압을 넘으면 터널링 전류가 감소하면서 음성저항 구간이 나타나고, 더 높은 전압에서는 일반적인 확산전류가 다시 우세해지는 형태를 보입니다. 이러한 현상은 에사키 터널링으로도 불리는 초기 반도체 터널링 연구와 밀접하게 연결됩니다. p형과 n형 영역 모두를 극도로 높은 농도로 도핑해 공핍층 두께를 수 나노미터 수준으로 얇게 만들면, 순방향의 낮은 전압에서도 전자가 에너지 장벽을 고전적으로 넘지 않고 양자역학적 터널링으로 곧바로 통과할 수 있게 됩니다.
주의할 점
터널 다이오드는 현재 실용 회로에서 널리 쓰이는 소자는 아니며, 주로 터널링 물리 현상을 설명하거나 특수 목적의 초고속 회로 연구에 등장하는 경우가 많습니다. 전압을 조금씩 높이면 터널링 가능한 에너지 준위가 줄어들어 오히려 전류가 감소하는 부성저항 구간이 나타나는데, 이 구간은 일반 다이오드에서는 볼 수 없는 특성으로 고주파 발진기 설계에 활용됩니다.