첫 번째 접근법: 반도체, 밴드 갭 및 전계 효과

반도체 게르마늄과 실리콘이 없었다면 트랜지스터는 결코 발명되지 못했을 것이다. 이러한 결정질 고체의 전자적 특성만이 다른 많은 전자 부품 개발을 가능하게 했기 때문이다. 오늘날 반도체 산업이 수십억 달러 규모의 글로벌 경쟁 시장인 것은 괜한 일이 아니다. 

▲ 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)의 기능 원리. © Chtaube/CC-by-sa 2.5

밴드 갭에(Band Gap) 따라 다름

반도체의 승리는 1930년대 후반에 시작됐다. 그 당시 물리학자들은 원자 수준에서 반도체에서 일어나는 일과 반도체가 전기를 전도할 때도 있고 그렇지 않을 때도 있는 이유를 처음으로 해독했다. 그들은 이러한 물질의 전자가 금속에서와 같이 자유롭게 움직일 수 없다는 것을 발견했다. 대신, 반도체 전자는 들뜬 이동 상태에 도달하기 위해 먼저 특정 에너지 공급이 필요하다.

비전도성 가전자대와 이동성 전도대 사이의 소위 밴드 갭은 반도체에서 0.1에서 4eV(전자볼트) 사이다. 반도체의 전자는 열, 복사 또는 전류의 형태로 에너지를 공급하여 이 밴드 갭을 극복할 수 있다. 원자에 4개의 원자가 또는 외부 전자가 있는 재료는 특히 유리한 반도체 특성을 갖는다. 황화카드뮴 또는 비소 갈륨과 같은 화합물 외에도 실리콘 및 게르마늄 원소도 포함된다.

표적 오염

또 다른 중요한 발견은 게르마늄이나 실리콘의 결정 격자에 외부 원자를 도입하면 전자 특성을 구체적으로 수정할 수 있다. 외부 원자의 유형에 따라 이 도핑은 결정 격자에 전자(n) 또는 양전하 공극(p)의 국부적 과잉을 유발한다. 이러한 국부적인 초과 전하는 밴드 갭을 감소시키고 따라서 반도체의 국부적인 전도성을 증가시킬 수 있다.

그러나 2차 세계대전이 끝날 때까지 맞춤형 도핑 반도체 생산을 위한 결정적인 전제 조건이 없었다. 충분한 순도의 실리콘 및 게르마늄 결정을 생산하는 것이 불가능했다. 이것은 결정 성장의 발전과 99.999%의 순도를 가진 반도체를 사용할 수 있게 되면서 비로소 변경되었다.

Shockley와 트랜지스터의 첫 번째 시도

이것은 미국 대형 전화 회사의 연구 시설인 뉴저지의 유명한 벨 연구소를 포함해 도핑된 게르마늄 및 실리콘 반도체에 대한 실험의 물결을 촉발시켰다. 1945년 당시 Bell 연구소의 부사장인 Mervin Kelly는 마침내 진공관을 대체할 반도체 기반 개발을 목표로 하는 연구 프로그램을 시작했다. 그는 물리학자 William Shockley와 화학자 Stanley Morgan을 고용하여 학제 간 작업 그룹을 이끌었다.

이 프로젝트의 일환으로 Shockley와 그의 팀은 먼저 서로 다르게 도핑된 두 반도체층의 조합을 실험했다. Lilienfeld가 이미 제안한 것과 유사하게, 그들은 재료의 두 전극(소스와 드레인) 사이의 전류 흐름에 영향을 미치기 위해 세 번째 전극 형태의 외부 전기장을 사용했다. 이러한 시스템에서 조절 게이트 전극은 드레인 및 소스 전극과는 다르게 반도체의 도핑 영역에 있다. p 도핑 영역에 있으면 게이트 전극은 n 도핑 영역에 있다.

이제 게이트 전극에 전압이 가해지면 해당 영역에 로컬 차단 영역이 생성되어 다른 두 전극 사이의 전류 흐름을 제한하고 조절한다. 수문처럼 비전도성 배리어 영역의 확장은 소스 전극과 드레인 전극 사이의 전류 흐름을 제어한다. 모든 전계 효과 트랜지스터 중에서 가장 단순한 이 트랜지스터는 이제 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)로 알려져 있다.

대서양의 양쪽에서 두 명의 독일 물리학자가 TR연구

Shockley와 그의 팀은 1945년에 게르마늄 기반 접합 전계 효과 트랜지스터를 구현하는 데 성공했지만 외부 필드의 변조 효과가 너무 약해서 시스템을 실제로 사용할 수 없었습니다. 따라서 Shockley는 반도체 연구 그룹의 두 구성원인 John Bardeen과 Walter Brattain에게 이 문제를 더 면밀히 조사하도록 요청했다. 그는 먼저 다른 연구로 눈을 돌렸다.

동시에 두 명의 독일 물리학자가 대서양 반대편에서 동일한 문제를 연구하고 있었다. Heinrich Welker와 Herbert Mataré도 접합 전계 효과 트랜지스터의 전구체를 실험하고 있었고 1945년에 처음으로 이 원리를 실제로 적용할 수 있었다. Shockley와 그의 팀과 마찬가지로 기대 효과는 여전히 너무 작았다.
두 팀은 이제 독립적으로 작업하고 있으며 더 나은 기능의 트랜지스터 기술에 대한 서로의 작업을 인식하지 못했다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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