[반도체 용어] Tunneling effects

 

Tunneling Effects (터널링 이펙트) 

 

터널링 효과(tunneling effect) 또는 터널링(tunneling)은 양자 역학에서 미세입자가 가지는 파동의 성질로 인해 넘을 수 없는 장벽을 넘어가는 현상을 말합니다.

 

고전역학에서는 에너지가 부족한 입자는 장벽을 넘어갈 수 없다고 하지만,

양자역학에서는 입자의 파동성으로 인해 입자가 장벽을 넘어갈 확률이 존재합니다. 

 

> 전자의 파동적 성질 

입자의 파동성은 입자가 입자와 파동의 성질을 동시에 가지고 있다는 양자역학의 기본 개념입니다.

입자의 파동성으로 인해 입자는 장벽을 넘어갈 확률이 존재합니다.

터널링 확률은 입자의 에너지, 장벽의 높이, 장벽의 두께 등에 따라 결정됩니다.

 

 

입자의 에너지가 높을 수록 장벽의 높이가 낮을수록 장벽의 두께가 얇을수록 터널링 효과가 발생할 확률이 높아집니다!

당연한 얘기일 수있지만 nm 단위의 반도체를 만드는 초격차 시대에선 이러한 요소 하나하나가 굉장히 중요합니다.

 

**터널링 효과의 확률은 항상 1이 아닌 0과 1 사이의 값입니다.

즉, 입자가 장벽을 넘어갈 확률은 항상 100%가 아닌 0% 이상 100% 미만입니다.

 

유도식은 양자역학에 대한 부분이니 이런 개념이 있구나 ~ 라고 알아만 둡시다 ~

 

 

 

반도체에서 터널링 효과?

 

반도체에서의 터널링 효과는 주로 pn 접합에서 발생합니다.

 pn 접합은 p형 반도체와 n형 반도체가 만나는 경계 부분을 의미합니다. 

이 때, 미세한 접합 영역에서 전자가 장벽을 터널링하여 통과할 수 있습니다.

 이러한 터널링 현상은 다양한 반도체 소자에서 중요한 역할을 합니다.

터널 다이오드(Tunnel Diode)
터널 다이오드는 터널링 효과를 이용하여 동작하는 반도체 소자입니다. 

이 소자는 pn 접합에서 터널링 현상을 이용하여 전류를 제어합니다. 

전압이 증가함에 따라 터널링 전류가 증가하고, 이는 전압-전류 특성이 일반 다이오드와는 다른 형태를 보입니다.

펀넬 현상(Quantum Tunneling Field Effect Transistor, QTFET)

펀넬 현상은 터널링 효과를 이용하여 전자가 소자의 접합을 터널링하여 통과하는 것을 기반으로 하는 새로운 종류의 트랜지스터입니다. 

이는 현재 나노 스케일에서의 전자 이동을 개선하고 소자의 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

터널링 자기 저항(Tunneling Magnetoresistance, TMR)

터널링 자기 저항은 자기장을 이용하여 전자의 터널링을 제어하는 현상으로,

자기 저장 장치인 자기 디스크 드라이브의 성능을 향상시킵니다.

 

 

 

터널링 효과는 트랜지스터의 작동 원리 중 하나로 사용됩니다. 트랜지스터는 터널링 효과를 이용하여 전류를 제어할 수 있습니다.

기본적인 MOSFET 구조에서 플로팅 게이트(Floating gate)가 있을때 컨트롤 게이트(Control gate)에 전압을 걸어주어 전자를 절연층(isolator) 통과하게 만들어 플로팅 게이트에 가둬서 전자를 저장(데이터를 저장)

 

** 일반적으로 절연층은 전자가 통과할 수 없습니다 > 하지만 터널링 효과로 인하여 전자가 흘러 들어가서 플로팅 게이트에 저장 할 수 있습니다

 

 

출처

위키백과 

 

https://physicsopenlab.org/2017/05/30/tunnel-effect/