터널 다이오드

터널 다이오드() 또는 에사키 다이오드()는 양자역학적 효과인 양자 터널링으로 인해 실질적인 "부저항"을 갖는 반도체 다이오드의 일종이다. 1957년 8월 당시 도쿄 통신 공업(현: 소니)에서 근무하던 에사키 레오나와 구로세 유리코에 의해 발명되었다. In the first public report of the discovery (presentation at the 12th annual meeting of the Physical Society of Japan in October 1957), Takashi Suzuki, who was a student at Tokyo University of Science and doing his internship at Tokyo Tsushin Kogyo under Esaki's supervision, was a co-author. Suzuki, along with Yuriko Kurose, first observed the negative differential resistance when they were testing heavily doped P-N junctions. 1973년 에사키는 반도체에서의 전자 터널링 효과를 실험적으로 증명한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. 로버트 노이스도 윌리엄 쇼클리 밑에서 일할 때 독립적으로 터널 다이오드에 대한 아이디어를 고안했으나, 이를 계속 추진하는 것을 제지당했다. 터널 다이오드는 1957년 소니에서 처음 제조되었으며, 이어 1960년경부터 제너럴 일렉트릭과 다른 기업들이 생산을 시작했으며, 오늘날에도 소량으로 생산되고 있다.

터널 다이오드는 약 10 nm (100 Å) 너비의 고농도로 도핑된 PN 접합을 가지고 있다. 고농도 도핑은 끊어진 띠틈을 형성하여, N영역의 전도띠 전자 상태가 P영역의 원자가띠 양공 상태와 거의 정렬되게 한다. 주로 저마늄으로 만들어지지만, 비소화 갈륨, 안티모니화 갈륨(GaSb) 및 규소 재료로도 만들 수 있다.

 용도 
동작 범위의 일부에서 나타나는 부성 미분 저항 덕분에 발진기 및 증폭기로 기능할 수 있으며, 이력 현상을 이용한 스위칭 회로에서도 사용된다. 또한 주파수 변환기 및 검파기로도 사용된다. 전기 용량이 낮아 일반적인 다이오드나 트랜지스터의 범위를 훨씬 뛰어넘는 마이크로파 주파수에서 작동할 수 있다.

섬네일|250px|8–12 GHz 터널 다이오드 증폭기, 1970년경
출력 전력이 낮기 때문에 터널 다이오드는 널리 사용되지 않는다. 전압 편차가 작기 때문에 무선주파수 출력은 수백 밀리와트로 제한된다. 최근에는 터널링 메커니즘을 사용하는 새로운 소자들이 개발되었다. 공명 터널 다이오드(RTD)는 고체 발진기 중 가장 높은 주파수를 달성했다.

또 다른 유형의 터널 다이오드는 금속-절연체-절연체-금속(MIIM) 다이오드로, 추가적인 절연체 층이 "단계적 터널링"을 가능하게 하여 다이오드를 더 정밀하게 제어할 수 있다. 금속-절연체-금속(MIM) 다이오드도 있지만, 고유한 민감도 때문에 현재 응용 분야는 연구 환경으로 제한되는 것으로 보인다.

 순방향 바이어스 동작 
정상적인 순방향 바이어스 동작 하에서, 전압이 증가하기 시작하면 전자는 먼저 매우 좁은 PN 접합 장벽을 터널링하여 P영역의 빈 원자가띠 양공 상태와 정렬된 N영역의 전도띠 전자 상태를 채운다. 전압이 더 증가하면 이러한 상태들이 점점 어긋나게 되고 전류가 떨어진다. 전압이 증가함에 따라 전류가 감소하기 때문에 이를 부성 미분 저항이라고 부른다. 고정된 전이 지점 이상으로 전압이 증가하면, 다이오드는 일반적인 다이오드처럼 작동하기 시작하여 전자가 PN 접합 장벽을 터널링하는 대신 접합을 가로질러 전도에 의해 이동한다. 터널 다이오드에서 가장 중요한 동작 영역은 "부저항" 영역이다. 그 그래프는 일반적인 PN 접합 다이오드와 다르다.

 역방향 바이어스 동작 

섬네일|터널 다이오드 특성 곡선과 유사한  대  곡선. 1과 2 사이의 음영 처리된 전압 영역에서 "부성" 미분 저항을 갖는다.
역방향으로 사용될 때 터널 다이오드는 백 다이오드(back diode, 또는 역방향 다이오드)라고 불리며, 전력 신호에 대해 오프셋 전압이 없고 극도의 선형성을 가진 빠른 정류기 역할을 할 수 있다(역방향에서 정확한 제곱 법칙 특성을 가짐). 역방향 바이어스 하에서 P영역의 채워진 상태가 N영역의 빈 상태와 점점 더 정렬되어 전자가 역방향으로 PN 접합 장벽을 터널링한다.

 기술적 비교 
섬네일|Tektronix 571 커브 트레이서에서 측정된 10 mA 저마늄 터널 다이오드의  대  곡선.
전형적인 반도체 다이오드에서는 PN 접합이 순방향 바이어스일 때 전도가 일어나고 역방향 바이어스일 때 전류 흐름을 차단한다. 이는 "역방향 항복 전압"으로 알려진 지점까지 지속되며, 그 지점에서 전도가 시작된다(종종 소자의 파괴를 동반함). 터널 다이오드에서는 P층과 N층의 도펀트 농도를 역방향 항복 전압이 0이 되어 다이오드가 역방향으로 전도되는 수준까지 높인다. 그러나 순방향 바이어스가 가해지면 양자 터널링이라 불리는 효과가 발생하여, 순방향 전압의 증가가 순방향 전류의 감소를 동반하는 전압 대 전류 특성 영역이 나타난다. 이 "부저항" 영역은 보통 4극 진공관을 사용하는 다이나트론 발진기의 고체 상태 버전에서 활용될 수 있다.

 응용 
터널 다이오드는 4극관이 할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 주파수(마이크로파 대역까지)에서 작동하기 때문에 발진기 및 고주파 임계값(트리거) 장치로서 큰 가능성을 보여주었다. 터널 다이오드의 응용 분야에는 UHF 텔레비전 튜너용 국부 발진기, 오실로스코프의 트리거 회로, 고속 카운터 회로, 매우 빠른 상승 시간의 펄스 발생기 회로 등이 포함되었다. 1977년 인텔샛 V 통신 위성 수신기는 14–15.5 GHz 주파수 대역에서 마이크로스트립 터널 다이오드 증폭기(TDA) 프런트엔드를 사용했다. 이러한 증폭기는 당시 최고 기술 수준으로 간주되었으며, 고주파에서 어떤 트랜지스터 기반 프런트엔드보다 더 나은 성능을 보였다. 터널 다이오드는 저잡음 마이크로파 증폭기로도 사용될 수 있다. 터널 다이오드 발견 이후, 더 일반적인 반도체 소자들이 기존의 발진 기술을 사용하여 터널 다이오드의 성능을 능가했다. 많은 목적에서 전계효과 트랜지스터와 같은 3단자 소자가 2단자 소자보다 더 유연하다. 실용적인 터널 다이오드는 수 밀리암페어와 수 분의 일 볼트에서 작동하므로 저전력 소자이다. 건 다이오드는 유사한 고주파 능력을 갖추고 있으며 더 많은 전력을 처리할 수 있다.

터널 다이오드는 또한 다른 다이오드보다 이온화 방사선에 더 강하다. 이로 인해 우주 환경과 같이 방사선이 강한 환경에 적합하다.

 수명 
터널 다이오드는 과열에 의한 손상에 취약하므로 납땜 시 특별한 주의가 필요하다.

터널 다이오드는 수명이 긴 것으로 유명하며, 1960년대에 만들어진 장치들이 여전히 작동하고 있다. 네이처(Nature)지에서 에사키와 공동 저자들은 일반적으로 반도체 소자가 매우 안정적이며, 실온에서 보관할 경우 유통기한이 "무한"해야 한다고 제안했다. 그들은 50년 된 소자들에 대한 소규모 테스트 결과 "다이오드의 수명에 대한 만족스러운 확인"이 이루어졌다고 보고했다. 일부 에사키 다이오드 샘플에서 관찰된 바와 같이, 금도금된 철 핀이 실제로는 부식되어 케이스와 단락될 수 있다. 이는 일반적으로 전화기 PCB 수리에 사용되는 간단한 과산화수소 / 식초 기술로 진단 및 치료가 가능하며, 내부의 다이오드는 일반적으로 여전히 작동한다.

구소련제 잉여 부품들도 신뢰할 수 있으며 원래 비용은 30–50파운드 범위였음에도 불구하고 종종 몇 펜스에 구입할 수 있다. 판매되는 단위는 대개 GaAs 기반이며 약 1–20 mA pk에서  비율이 5:1이므로 과전류로부터 보호되어야 한다.

 같이 보기 

 애벌랜치 다이오드
 건 다이오드
 IMPATT 다이오드
 람다 다이오드
 공진 터널링 다이오드
 터널 접합
 제너 다이오드

 각주 

 외부 링크 



분류:다이오드
분류:1957년 도입
분류:일본의 발명품
분류:1957년 기술