터널 다이오드
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1. 개요
터널 다이오드는 양자 터널링 현상을 이용하는 반도체 소자이다. 순방향 바이어스 시, 전압 증가에 따라 전류가 감소하는 음의 미분 저항 특성을 보이며, 이 특성을 활용하여 발진기, 증폭기, 스위칭 회로 등에 사용된다. 역방향 바이어스에서는 고속 정류기로 동작하며, 다른 다이오드에 비해 방사선에 강한 특성을 갖는다. 1960년대에는 고주파 응용 분야에서 각광받았으나, 현재는 더 발전된 반도체 소자의 등장으로 인해 사용이 줄어들었다. 최근에는 공진 터널링 다이오드(RTD)와 같은 새로운 형태의 터널 다이오드가 개발되고 있다.
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- 다이오드 - PN 접합
PN 접합은 p형 반도체와 n형 반도체의 경계로, 다이오드, 트랜지스터 등 다양한 반도체 소자에 활용되며, 두 반도체의 상대 전압에 따라 전류 흐름을 제어한다. - 다이오드 - 건 다이오드
건 다이오드는 건 효과를 이용하여 마이크로파를 생성하는 발진 소자로, 갈륨 비소와 같은 반도체의 전자띠 구조를 통해 음의 미분 저항을 발생시키며, 스피드건, 레이더 등 다양한 분야에 응용된다. - 전자 부품 - 다이오드
다이오드는 PN 접합을 이용해 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 반도체 소자로, 진공관 다이오드와 반도체 다이오드로 나뉘며, 정류, 검파, 신호 처리 등 다양한 전자 회로 및 여러 분야에서 활용되고, 정류 다이오드, 쇼트키 다이오드, LED 등 다양한 종류가 있다. - 전자 부품 - 트랜지스터
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| 터널 다이오드 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 수동 |
| 작동 원리 | 양자 터널링 |
| 발명가 | 에사키 레오나 구로세 유리코 |
| 최초 생산 | 소니 |
| 기호 | [[파일:IEEE 315-1975 (1993) 8.5.7.1.c.svg|100px]] |
| 단자 | 애노드 및 캐소드 |
| 상세 정보 | |
| 발명 연도 | 1957년 |
2. 역사
1957년 8월, 에사키 레오나와 쿠로세 유리코가 도쿄 통신공업(현 소니)에서 터널 다이오드를 발명했다.[17][18] 같은 해 10월 일본물리학회 연차대회에서는 도쿄통신공업 연수생 스즈키 타카시도 공동 발표자로 참여했다.[19] 에사키는 이 공로로 1973년 노벨 물리학상을 수상했다. 1960년 11월 10일, 소니는 터널 다이오드 특허(267361호)를 취득했다.[21]
터널 다이오드는 수십 나노미터 폭으로 고농도 도핑된 pn 접합을 가지며, 밴드 정렬은 type-III 형태이다. N형 반도체 측의 전도대와 P형 반도체 측의 가전자대가 에너지적으로 약간 겹치는 구조를 가진다.
소니는 1957년부터 터널 다이오드 생산을 시작했으며,[22] 제너럴 일렉트릭 등 다른 기업들도 1960년경부터 생산에 참여했다. 주로 게르마늄으로 만들어지지만, 갈륨 비소나 실리콘으로도 제조 가능하다.
2000년대 들어 제조 업체 수가 감소했지만, 2008년 시점에도 소량 생산이 계속되고 있었다.[23]
2. 1. 발명 및 초기 개발
1957년 8월, 도쿄 통신공업(현 소니)의 에사키 레오나와 조수 쿠로세 유리코(후에 미야하라 유리코)가 터널 다이오드를 발명했다.[17][18] 1957년 10월 일본물리학회 연차대회 발표에서는 도쿄통신공업 연수생 스즈키 타카시(도쿄이과대학생)도 공동 발표자로 참여했다.[19] 에사키는 이 반도체 내의 터널 효과 발견으로 1973년 노벨 물리학상을 수상했다. 1960년 11월 10일, 소니는 터널 다이오드 특허(267361호)를 취득했다.[21]소니는 1957년부터 터널 다이오드의 생산을 시작했고,[22] 제너럴 일렉트릭 등의 기업들이 1960년경부터 생산을 시작했다.
2. 2. 기술 발전과 응용
발진기, 증폭기, 스위칭 회로, 주파수 변환기, 검파기 등 다양한 분야에서 터널 다이오드가 활용된다.[9] 낮은 정전용량 덕분에 일반 다이오드나 트랜지스터보다 훨씬 높은 마이크로파 주파수에서도 작동 가능하다.
터널 다이오드는 낮은 출력 전력으로 인해 널리 사용되지는 않지만, 작은 전압 스윙으로 인해 고주파 출력은 수백 밀리와트로 제한된다. 그러나 최근 터널링 메커니즘을 활용한 새로운 소자들이 개발되었는데, 그 중 공진 터널링 다이오드(RTD)는 고체 발진기 중 가장 높은 주파수 중 일부를 달성했다.[10]
터널 다이오드는 테트로드보다 훨씬 높은 주파수(마이크로파 대역)에서 동작하여 발진기 및 고주파 임계(트리거) 소자로 주목받았다. 초고주파(UHF) 텔레비전 튜너의 국부 발진기, 오실로스코프 트리거 회로, 고속 계수 회로, 매우 빠른 상승 시간을 갖는 펄스 발생기 회로 등에 활용된다. 1977년 인텔샛 V 통신 위성 수신기는 14~15.5 GHz 주파수 대역에서 마이크로스트립 터널 다이오드 증폭기(TDA) 프런트 엔드를 사용했는데, 이는 당시 최첨단 기술이었으며 고주파에서 트랜지스터 기반 프런트 엔드보다 우수한 성능을 보였다.[13] 저잡음 마이크로파 증폭기로도 사용될 수 있다.[9] 하지만 발견 이후 기존 발진기 기술을 사용하는 일반적인 반도체 소자들이 터널 다이오드의 성능을 능가하게 되었다. 전계 효과 트랜지스터와 같은 3단자 소자가 2단자 소자보다 더 유연하다는 장점도 있다. 실제 터널 다이오드는 수 밀리암페어와 수십 밀리볼트에서 동작하는 저전력 소자이다.[14] 건 다이오드(Gunn diode)는 유사한 고주파 성능을 가지면서 더 많은 전력을 처리할 수 있다.
마이크로파 수준의 고주파 회로에서 주로 사용되며, 발진 회로, 증폭 회로, 주파수 변환기, 검파 회로 등에 사용되거나 사용되었다.[24]
논리 소자로는 고토 에이이치가 개발한 고토 페어가 있다.
2. 3. 최근 동향
2000년대에 들어 터널 다이오드 제조 업체 수는 감소해 왔다.공진 터널 다이오드(RTD)는 단독으로 직접 테라헤르츠파를 발생시키는 반도체 소자 중 하나이며, 최근 활발히 연구되고 있다.[29] 기존에 테라헤르츠파 발진에 사용되어 온 여러 방식들은 발생 주파수, 출력 및 효율, 동작 온도, 스펙트럼 및 코히어런스 특성, 파장 가변 등의 기능, 소형화, 취급 용이성 등에서 장단점을 가지고 있었다.[29] RTD는 전류-전압 특성에서 특정 인가 전압 범위에서 음성 저항을 나타내며, 이때 단일 주파수로 테라헤르츠파를 연속파(CW)로 발진한다.[30] 전자의 지연 시간을 단축하는 구조를 통해 현재까지 1.42THz의 상온 발진이 얻어졌으며, 안테나 구조 개선 및 배열(어레이)에 의한 고출력화도 진행되고 있다.[29]
3. 작동 원리
일반적인 다이오드는 순방향 바이어스에서 전류가 흐르지만, 역방향 바이어스에서는 전류가 흐르지 않는다. 그러나 "역방향 내압"을 초과하면 전류가 흐르기 시작한다(일반적으로 부품 파손). 터널 다이오드는 P층과 N층의 도펀트 농도를 높여 "역방향 내압"이 0이 되도록 하여 역방향에서 항상 도전성을 나타낸다. 순방향 바이어스에서는 "터널링 효과"가 발생하여 전압을 높이면 전류가 감소하는 전압 범위 (음성 저항 영역)가 존재한다. 이 영역을 이용하여 4극 진공관 다이나트론 발진 회로의 반도체 버전을 실현할 수 있다.
터널 다이오드는 4극관보다 높은 주파수에서 동작하여 마이크로파 대역 발진 회로나 트리거 회로에 사용되었다. UHF TV 튜너 국부 발진기, 오실로스코프 트리거 회로, 고속 카운터 회로, 상승 시간이 매우 빠른 펄스 발진 회로, 저잡음 마이크로파 증폭 회로 등에 사용된다.[25] 그러나 이후 더 일반적인 발진 회로용 반도체 소자가 개발되어 터널 다이오드 성능을 능가하게 되었다. 많은 용도에서 3단자 전계 효과 트랜지스터가 2단자 소자보다 유연하다. 실용적인 터널 다이오드는 수 밀리암페어와 1볼트 미만의 저출력으로만 동작한다.[26] 건 다이오드도 고주파로 동작하지만, 더 높은 출력이 가능하다.
터널 다이오드는 다른 다이오드에 비해 방사선에 대한 내성이 강하다.
3. 1. 순방향 바이어스 동작
순방향 바이어스 동작에서 전압을 높이기 시작하면, 매우 좁은 PN 접합의 장벽에서 N형 반도체 쪽의 전자와 P형 반도체 쪽의 정공이 정렬됨으로써, 전자가 터널을 통과하는 현상이 발생한다. 전압을 더 높이면, 정렬 상태가 흐트러지기 때문에 전류는 작아진다. 이처럼 전압을 높이면 전류가 작아지는 상태를 음성 저항이라고 부른다. 전압이 고정된 전이점을 넘어 증가하면, 다이오드는 일반 다이오드처럼 작동하기 시작하여 전자는 PN 접합을 통해 전도에 의해 이동하고 더 이상 PN 접합 장벽을 통해 터널링하지 않는다. 터널 다이오드의 가장 중요한 동작 영역은 "음의 저항" 영역이다.3. 2. 역방향 바이어스 동작
역방향으로 사용될 때, 터널 다이오드는 '''역방향 다이오드'''(또는 '''백워드 다이오드''')라고 불리며, 제로 오프셋 전압과 전력 신호에 대한 극도의 선형성을 갖는 고속 정류기 역할을 할 수 있다(역방향에서 정확한 제곱 법칙 특성을 갖는다).[1] 역 바이어스 하에서 P 측의 채워진 상태는 N 측의 비어있는 상태와 점점 더 정렬되고, 전자는 이제 P-N 접합 장벽을 역방향으로 통과한다.[1]역방향으로 전압을 걸면, 오프셋 전압이 0이고 극단적인 선형성을 보이는 고속 정류기로 작동한다.[2] 역 바이어스에서는 정확한 이차 특성을 나타낸다.[2]
pn 접합에서 P 쪽이 전자로 채워지고 N 쪽에 정공이 정렬되는 상태가 되어, 터널 효과가 역방향으로 작용한다.[3] 이것을 제너 효과라고 하며, 제너 다이오드에서도 발생한다.[3]
3. 3. 기술적 비교
일반적인 반도체 다이오드는 P-N 접합이 순방향 바이어스일 때 전도가 일어나고, 접합이 역방향 바이어스일 때 전류 흐름을 차단한다. 이는 "역방향 내압"이라고 알려진 지점까지 발생하며, 이 지점에서 전도가 시작된다(종종 소자의 파괴를 동반함). 터널 다이오드에서 P층과 N층의 도펀트 농도는 '''역방향 내압'''이 '''0'''이 되고 다이오드가 역방향으로 전도할 수 있는 수준으로 증가된다. 그러나 순방향 바이어스일 때, 양자 역학적 터널링 현상이 발생하여 전압 대 전류 동작에서 순방향 전압의 ''증가''가 순방향 전류의 ''감소''를 동반하는 영역이 나타난다. 이 "음의 저항" 영역은 테트로드 진공관을 사용하는 다이나트론 발진기의 고체 상태 버전에서 활용될 수 있다.[25]일반적인 다이오드와 달리, 터널 다이오드는 P층과 N층의 도펀트 농도를 높여 "역방향 내압"이 0이 되도록 하여 역방향에서 항상 도전성을 나타낸다. 순방향 바이어스에서는 "터널링 효과"라는 현상이 발생하여 전압을 높이면 전류가 감소하는 전압 범위가 존재하게 된다. 이 음의 저항 영역을 이용하여 4극 진공관 다이나트론을 사용한 발진 회로의 반도체 버전을 실현할 수 있다.
터널 다이오드는 4극관보다 훨씬 높은 주파수에서도 동작할 수 있기 때문에 마이크로파 대역에서 동작하는 발진 회로나 트리거 회로에 사용되었다. 용도로는 UHF TV 튜너의 국부 발진기, 오실로스코프의 트리거 회로, 고속 카운터 회로, 상승 시간이 매우 빠른 펄스 발진 회로 등이 있다. 또한 저잡음 마이크로파 증폭 회로에도 사용할 수 있다.[25] 그러나 그 후, 더 일반적인 발진 회로에 사용할 수 있는 반도체 소자가 개발되어 터널 다이오드의 성능을 능가하게 되었다. 많은 용도에서 3단자 전계 효과 트랜지스터가 2단자 소자보다 유연성이 있다. 실용적인 터널 다이오드는 수 밀리암페어와 1볼트 미만의 저출력으로만 동작할 수 있다.[26] 건 다이오드도 고주파로 동작할 수 있다는 점은 같지만, 더 높은 출력이 가능하다.
터널 다이오드는 다른 다이오드에 비해 방사선에 대한 내성이 있다.
4. 응용 분야
터널 다이오드는 테트로드보다 훨씬 높은 주파수(마이크로파 대역까지)에서 동작하여 발진기 및 고주파 임계(트리거) 소자로 사용될 수 있었다. 초고주파(UHF) 텔레비전 튜너의 국부 발진기, 오실로스코프의 트리거 회로, 고속 계수 회로 및 매우 빠른 상승 시간을 갖는 펄스 발생기 회로 등에 사용되었다.[13] 1977년 인텔샛 V 통신 위성 수신기는 14~15.5 GHz 주파수 대역에서 마이크로스트립 터널 다이오드 증폭기(TDA) 프런트 엔드를 사용했는데, 이는 고주파에서 트랜지스터 기반 프런트 엔드보다 성능이 뛰어난 것으로 평가받았다.[13] 저잡음 마이크로파 증폭기로도 사용될 수 있다.[9]
하지만 발견 이후에는 기존의 발진기 기술을 사용하는 보다 일반적인 반도체 소자가 개발되어 터널 다이오드의 성능을 능가하게 되었다. 전계 효과 트랜지스터는 3단자 소자로 2단자 소자인 터널 다이오드보다 더 유연하다. 실제 터널 다이오드는 수 밀리암페어와 수십 밀리볼트에서 동작하는 저전력 소자인 반면,[14] 건 다이오드는 유사한 고주파 성능을 가지면서도 더 많은 전력을 처리할 수 있다.
터널 다이오드는 다른 다이오드보다 방사선에 대한 내성이 강해, 우주와 같이 방사선 환경이 높은 곳에 적합하다.
4. 1. 고주파 회로
음의 미분 저항 때문에 발진기와 증폭기로 동작할 수 있으며, 히스테리시스를 이용한 스위칭 회로에서도 기능할 수 있다. 주파수 변환기와 검파기로도 사용된다.[9] 낮은 정전용량 덕분에 일반 다이오드나 트랜지스터보다 훨씬 높은 마이크로파 주파수에서 작동할 수 있다.터널 다이오드는 UHF TV 튜너의 국부 발진기, 오실로스코프의 트리거 회로, 고속 카운터 회로, 상승 시간이 매우 빠른 펄스 발진 회로 등에 사용되었다. 저잡음 마이크로파 증폭 회로에도 사용될 수 있다.[25] 그러나 이후 더 일반적인 발진 회로에 사용할 수 있는 반도체 소자가 개발되어 터널 다이오드의 성능을 능가하게 되었다. 실용적인 터널 다이오드는 수 밀리암페어와 1볼트 미만의 저출력으로만 동작할 수 있다.[26] 건 다이오드도 고주파로 동작할 수 있지만, 더 높은 출력이 가능하다.
4. 2. 특수 환경
터널 다이오드는 다른 다이오드에 비해 방사선에 대한 내성이 뛰어나다.[26] 따라서 우주와 같이 방사선 환경이 높은 곳에 적합하다.5. 공진 터널링 다이오드 (RTD)
공명 터널 다이오드(Resonant Tunneling Diode; RTD)는 단독으로 직접 테라헤르츠파를 발생시키는 반도체 소자 중 하나로, 최근 활발히 연구되고 있다.[29] 펨토초 레이저, 광전도 안테나, 비선형 재료를 이용한 시간 영역 분광 시스템, 고체 레이저 여기(勵起)에 의한 파라메트릭 발진기, 가스 레이저, 전자관, 반도체 소자 등 기존 테라헤르츠파 발진에 사용되어 온 장치들은 발생 주파수, 출력 및 효율, 동작 온도, 스펙트럼 및 코히어런스 특성, 파장 가변성, 소형화, 취급 용이성 등에서 각각 장단점을 가지고 있었다.[29] RTD는 전류-전압 특성에서 특정 인가 전압 범위에서 음성 저항을 나타내며, 이때 단일 주파수로 테라헤르츠파를 CW 발진한다.[30] 전자의 지연 시간을 단축하는 구조를 통해 현재까지 1.42THz의 상온 발진이 얻어졌으며, 안테나 구조 개선 및 배열을 통한 고출력화도 진행되고 있다.[29]
6. 장점 및 단점
터널 다이오드는 일반적인 다이오드와 달리 P층과 N층의 도핑 농도를 높여 역방향 바이어스에서 "역방향 내압"이 0이 되도록 설계되어 항상 전류가 흐른다. 순방향 바이어스에서는 "터널링 효과"로 인해 전압이 증가하면 전류가 감소하는 음성 저항 영역이 나타난다. 이 특성을 이용하면 4극 진공관의 다이나트론과 유사한 발진 회로를 반도체로 구현할 수 있다.
터널 다이오드는 4극관보다 훨씬 높은 주파수에서 동작 가능하여 마이크로파 대역 발진 회로나 트리거 회로에 사용되었다. 예를 들어 UHF TV 튜너의 국부 발진기, 오실로스코프 트리거 회로, 고속 카운터 회로, 고속 펄스 발진 회로 등에 사용되었으며, 저잡음 마이크로파 증폭 회로에도 활용되었다.[25]
6. 1. 단점
터널 다이오드는 다른 다이오드에 비해 방사선에 대한 내성이 강해 우주용 등 방사선에 노출되는 환경에서 자주 사용된다.[25] 그러나 더 일반적인 발진 회로에 사용할 수 있는 반도체 소자가 개발되어 터널 다이오드의 성능을 능가하게 되었다. 많은 용도에서 3단자 전계 효과 트랜지스터가 2단자 소자보다 유연성이 뛰어나다. 실용적인 터널 다이오드는 수 밀리암페어와 1볼트 미만의 저출력으로만 동작할 수 있다.[26] 건 다이오드도 고주파로 동작할 수 있지만, 더 높은 출력이 가능하다.7. 수명 및 신뢰성
터널 다이오드는 수명이 매우 긴 것으로 유명하며, 1960년대에 제조된 소자들도 여전히 작동한다. 에사키(Esaki)와 공동 저자들은 ''네이처''에 발표한 논문에서 반도체 소자는 일반적으로 매우 안정적이며, 보관 수명은 상온에서 "무한대"라고 제안했다.[15] 그들은 50년 된 소자에 대한 소규모 테스트에서 "다이오드의 장수명에 대한 만족스러운 확인"을 발견했다고 보고했다.[15]
일부 에사키 다이오드 샘플에서는 금도금 철핀이 부식되어 케이스와 단락되는 현상이 발견되기도 한다. 이는 일반적으로 휴대폰 PCB 수리에 사용되는 과산화수소/식초 방법으로 진단 및 처리할 수 있으며, 다이오드 자체는 일반적으로 여전히 작동한다.[15]
러시아산 잉여 부품도 신뢰할 수 있으며, 원래 가격이 30GBP~50GBP였음에도 불구하고 몇 페니에 구입할 수 있는 경우가 많다. 일반적으로 판매되는 장치는 GaAs 기반이며, 약 1~20mA pk에서 전류 비율이 5:1 정도이므로 과전류로부터 보호해야 한다.[16]
GaAs 터널 다이오드의 열화가 심했다는 문헌도 있지만,[27] 에사키 레오나(江崎玲於奈) 등이 네이처(Nature)지에 발표한 논문(2010년 게재)에서는 50년 전에 보관해 두었던 소자를 간단한 시험으로 만족할 만한 결과를 얻었다고 기술하고 있다.[28] 또한, 반도체 소자는 일반적으로 매우 안정적이며, 상온에서 보관할 경우 수명은 거의 "무한대"라고 서술하고 있다.[28] 보도된 코멘트에서는 "매우 미세한 구조가 중요한 역할을 하기 때문에, 경년 열화에 관심이 있었다"라고 언급하고 있다.
8. 제조업체
소니는 1957년부터 터널 다이오드의 생산을 시작했고,[22] 제너럴 일렉트릭 등의 기업이 1960년경부터 뒤따랐다. 2000년대에 들어 제조 업체 수가 감소했다.
2020년 전후부터는 터널 다이오드의 신품을 구하기 어려워졌다는 의견이 있다. 이베이(eBay) 등에서 중고를 찾아봐도 소련제의 오래된 터널 다이오드밖에 찾을 수 없다는 지적도 있으며, 50MHz 이하의 주파수용이라면 JFET와 바이폴라 트랜지스터의 조합으로 대체하는 방법도 있다는 조언이 나오고 있다.[31] 2023년 3월 시점에서 아키하바라의 秋月電子通商(아키츠키 전자상사)나 マルツエレック(마르츠 일렉)에서도 판매되지 않는다.
과거에 터널 다이오드를 생산했던 주요 제조업체는 다음과 같다.
- 소니(Sony)
- 제너럴 일렉트릭(GE, General Electric)
- 텍사스 인스트루먼츠(TI, Texas Instruments) [32][33]
- M-Pulse Microwave Inc.(San Jose, CA, USA) [33]
- MACOM [33]
- American Microsemiconductor, Inc.(New Jersey, USA) [33]
로옴(Rohm)은 공명 터널 다이오드를 개발한 적이 있다.[34]
참조
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