터널링(터널효과)이 일어나는 이유는 무엇입니까?

[터널링이란]

전자나 원자핵과 같은 미소한 입자는 역장(力場)의 장벽을 투과할 수 있다는 양자역학(量子力學) 특유의 효과이다. 원자핵에서 방출되는 α 입자의 에너지는 α 입자가 밖으로 나올 때 넘어야 하는 포텐셜 높이보다 작은 경우가 많은데도 α 입자가 포텐셜을 통과하는 현상을 말한다.

위의 그림에서는 포텐셜 V(r)의 가장 높은 값 VM보다 에너지가 낮은 입자가 포텐셜을 통과해 간다. 이와 같은 현상은 고전역학 법칙에 따르는 경우에는 절대로 일어나지 않고, 양자적인 운동에서 유래한다.

투과비율은 포텐셜과 입자의 에너지를 나타내는 선으로 둘러싸인 영역의 면적에 따라 매우 급격하게 변한다. 예컨대 우라늄의 원자핵에서 420만eV(전자볼트)의 α 입자가 이 포텐셜의 벽을 통과하는 확률은 10-37 정도인데, 이보다도 100만eV가 높은 입자라면 확률이 5×107까지 커진다. 실제의 α 입자가 우라늄에서 튀어나올 비율은, α 입자가 원자핵 내에서 매초 1021회 정도 포텐셜 벽과 충돌하므로, 이 확률보다 훨씬 커진다.

반도체와 금속면의 접촉에 의해 생기는 전자의 흐름은 이 터널효과 때문이다. 특히 불순물이 많은 반도체에 음의 저항이 생기는 에사키다이오드나 조지프슨효과는 터널효과의 전형적인 예이다.

금속 안 자유전자가 금속 바깥으로 튀어 나가기가 어려운 것은 금속 끝에 높은 장벽이 있기 때문이라고 볼 수 있다. 5미터의 장벽이 있다고 할 때 파울리의 배타 원리에 의하면 전자는 아래서부터 차례로 메꿔져 4미터 높이밖에 메꿀 수 없기 때문에, 1미터가 모자라 자유전자가 금속 밖으로 튀어 나가지 못하는 것이다.

고전 물리학에서는 자유전자를 입자라고 생각하므로 이 1미터의 높이를 절대로 넘을 수 없다. 그런데 양자역학에서는 전자는 파동이기도 하므로 벽의 높이가 무한하지 않은 한 장애를 넘을 수 있다. 전자가 근소하게나마 장벽을 넘을 수 있는 이 현상을 에사키의 터널 효과로 말끔하게 설명할 수 있다. 즉, 전자는 마이너스 전하를 가진 입자이지만 양자역학에서는 파동 성질을 가지며, 파동으로서의 전자가 일으키는 현상 중 하나가 터널 효과다.

이를 반도체를 예로 들어 알아보자. p형, n형 반도체를 만들 때 보통 게르마늄 등의 결정에 미량의 불순물을 첨가하는데 에사키는 불순물을 많이 넣은 게르마늄 p－n 접합의 반도체로서 역방향으로 전류가 흐르는 다이오드(backward diode)를 만들었다. 절연체에 전류를 통하게 하기 위한 방법은 이온 결정에 빛을 비추는 방법(광전 효과) 외에 절연체를 강하게 가열하는 방법이 있다.

열을 가하면 이온의 진동에너지가 커지며 전류를 통하게 할 수 있다. 이 현상이 열적 절연파괴로 열적 충격이 원자로부터 전자를 밀쳐내 원자를 이온화하는 것이다. 원자로부터 떨어져 나간 전자는 절연체 밖으로 뛰쳐나가는 것은 불가능하지만 절연체 속을 자유롭게 운동한다. 보통의 다이오드에서 전자가 장벽을 뛰어넘게 하기 위해서는 열을 가하면 된다. 그러나 이 경우는 온도 특성이 매우 크다는 단점이 있다.

그런데 에사키가 개발한 다이오드에서는 순방향의 전압이 낮은 곳에서도 전류가 감소되는 현상이 나타났다. 즉 마이너스의 저항이 발생한다는 것이다. 이것은 순방향에서도 터널 전류가 흐른다는 것을 뜻하고 이것으로 고체 안에서의 터널 효과가 명확하게 검증된 것이다. 더구나 터널 효과를 이용하면 에너지를 상실하지 않고도 온도 의존성을 적게 할 수 있다.

일반적으로 불순물을 많이 넣으면 좋은 p－n접합이 되지 않는다. 그런데 에사키에 의해 불순물을 많이 넣더라도 이상적인 p－n접합을 만들 수 있게 된 것이다. 이것은 좀 더 불순물을 많게 하고, 더 폭을 얇게 하여, 보다 이상적인 접합을 만들면 실온에서 순방향에서 음성저항이 나타날 수 있다는 것을 의미한다. 에사키는 보다 불순물을 많이 첨가하여 100A의 결합을 만들어 기대했던 '음'저항을 발견했는데 이것이 반도체에서의 터널 효과를 극적으로 발전시키는 계기가 되었다.

보통의 트랜지스터를 제작할 때는 불순물의 농도가 1㎤당 ~개 정도이나 에사키의 다이오드에서는 개 정도의 고농도 불순물을 사용한다. 에사키의 발견은 고체 물리학에 새로운 분야를 개척했다. 특히 그가 개발한 다이오드는 이제까지 알려지지 않았던 음저항을 지니고 있어 고속 전류에 실용적으로 적용할 수 있었고 전자산업을 현대의 총아로 자리매김하는데 공헌을 하였다.

그는 이 터널효과의 확인으로 1973년에 노벨 물리학상을 받았다. 에사키가 고체 내에서의 터널효과를 발견한 것은 1957년으로, 이때 그는 소니사에 재직 중이었다. 특히 노벨상을 수상할 당시 그는 박사 학위도 없었다. 에사키의 수상은 아카데미즘의 중심이 아닌 곳에서도 노벨상 급의 연구가 가능하다는 것을 시사한다. 노벨상을 수상하려면 좋은 아이디어가 중요하다는 것을 보여주는 좋은 실예이다.