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- 1904년에는 발명된 진공관 사용. 3개의 전극이 있는 유리, 강철 또는 세라믹으로 구성
- 제2차 세계 대전 동안 점점 더 강력해지는 군대의 레이더 시스템에는 기가헤르츠 범위에서 스위칭할 수 있는 정류기와 증폭기가 필요
- 1874년 초 독일의 물리학자 칼 페르디난트 브라운, 결정질 고체가 일종의 정류기 효과를 나타낸다는 사실 발견

트랜지스터의 75년, 반도체 부품이 세상을 바꾼 방법

반도체 없이는 우리는 컴퓨터도 휴대폰도 없을 것이며 인터넷과 대부분의 전자 제품도 존재하지 않을 것이다. 1947년 12월 최초의 트랜지스터가 발명되면서 새로운 시대가 시작됐다. 이 반도체 부품은 바퀴나 전기처럼 우리의 기술, 사회, 일상생활을 근본적으로 변화시켰다. 

 

어떻게 된 걸까? 오늘날 모든 전자 부품에는 집적 회로 및 마이크로칩 형태의 트랜지스터가 포함되어 있다. 오직 그것들만이 전체 디지털 기술을 특징짓는 0과 1을 만든다. 동시에 그들은 증폭기, 발진기로 작동하고 현대 전자 장치의 수많은 다른 기본 기능을 수행한다. 그러나 이 개발 초기에는 몇 가지 획기적인 발명품과 잘못된 방향 전환이 있었다. 

▲ 트랜지스터가 없었다면 오늘날 마이크로칩과 집적 회로도 없었을 것이다. © Ismed Syahrul/ 게티 이미지

전자공학의 기초: 진공관에서 트랜지스터 아이디어까지

획기적인 발명에 관한 한 트랜지스터는 바퀴 또는 불의 사용과 함께 순위에 오른다. 다른 어떤 구성 요소도 오늘날 우리의 일상생활과 문명을 트랜지스터 더 많이 인상적으로 영향을 끼친 것은 없다. 그것 없이는 PC, 노트북 또는 휴대폰, 인터넷 및 마이크로프로세서가 있는 다른 전자 제품은 있을 수 없다. 휴대용 계산기의 성능을 갖춘 컴퓨터는 방 전체 크기가 됐을 것이다.

스위치, 정류기 및 증폭기를 동시에

대부분의 전자 부품 및 장치는 전기 회로를 기반으로 한다. 즉, 전류가 흐르는지 아닌지 조건을 제어한다. 그러나 이를 위해서는 전기적으로 제어할 수 있는 스위치가 필요하다. 작은 제어 전류가 훨씬 더 높은 전류가 흐르는 것을 결정한다. 컴퓨터에서 이러한 스위치는 디지털 산술 연산을 가능하게 하는 회로에 논리 게이트의 형태로 결합된다. 이것은 이러한 전자 스위치가 정밀하게 제어되고 매우 빠르고 안정적으로 작동할 수 있는 경우에만 가능하다.

하지만 그게 전부가 아니다. 많은 기술 응용 분야에서 전기 신호도 증폭 및 수정되어야 한다. 여기에서도 목표는 가능한 가장 간단하고 가장 경제적인 방법으로 결과 전류 흐름을 전기적으로 조절하는 것이다.

진공관의 시대

트랜지스터가 발명되기 전까지 릴레이 형태의 기계식 스위치가 이러한 작업에 사용되었지만 한 상태에서 다른 상태로 비교적 느리게 이동할 수 있었다. 1904년에는 발명된 진공관이 사용됐다. 소위 3극관으로 그들은 3개의 전극이 있는 유리, 강철 또는 세라믹으로 만든 길쭉한 용기로 구성된다. 음극과 양극 사이에 전류가 가해지면 이 전류 흐름은 그 사이에 있는 세 번째 전극에서 방출되는 전기장에 의해 조절될 수 있다.

▲ 전자 제품은 서로 결합된 수많은 회로를 기반으로 한다. 오늘날의 마이크로 칩(앞)에서 트랜지스터(가운데)는 스위치 역할을 하는데, 과거에는 이를 위해 부피가 큰 진공관(오른쪽)이 필요했다. © vlabo/ 게티 이미지

그러나 단점은 진공관이 상대적으로 크고 쉽게 파손되며 조절하는 데 많은 전기가 필요하다는 것이다. 최초의 컴퓨터는 회로에 진공관으로 가득 찬 벽장을 사용했기 때문에 전체 홀을 가득 채웠다. 그중에는 제2차 세계 대전 중에 영국이 독일 메시지를 해독하기 위해 사용했던 Colossus 암호 해독 컴퓨터와 동시에 미국에서 개발된 최초의 범용 컴퓨터 ENIAC도 있었다. 당시 널리 보급된 진공관 라디오도 다루기 힘든 진공관 때문에 이동 수신기라기 보다 가구에 더 가깝다.

또 다른 단점으로 튜브가 기계식 릴레이보다 훨씬 빠르게 전환되지만 전환 속도도 제한된다. 이것은 특히 제2차 세계 대전 동안 점점 더 문제가 되었다. 점점 더 강력해지는 군대의 레이더 시스템에는 기가헤르츠 범위에서 스위칭할 수 있는 정류기와 증폭기가 필요했다.

반도체의 발견

이러한 문제를 해결하기 위해 과학자와 엔지니어는 부피가 크고 취약한 진공관에 대한 대안을 찾기 시작했다. 점점 반도체가 주목받고 있다. 이러한 물질은 온도, 구성 및 배향에 따라 부도체 또는 전도체처럼 거동할 수 있다.

1874년 초에 독일의 물리학자 칼 페르디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)은 이러한 결정질 고체가 일종의 정류기 효과를 나타낸다는 사실을 발견했다. 

▲ 칼 페르디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun, 1850년 6월 6일 독일 풀다 - 1918년 4월 20일 뉴욕)은 독일의 물리학자, 교사, 전기 공학자, 노벨상 수상자(1909년, 굴리엘모 마르코니와 함께)였으며, 특히 하인리히 헤르츠에 관여했다. 1888년 실험적으로 입증된 전자기 복사를 통신에 사용할 수 있게 만들었다. 그는 또한 Frederick Guthrie가 반도체에서 정류기 효과를 발견한 후 반도체 다이오드를 발명한 것으로 유명해졌다. (출처: Source http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1909/braun-bio.html)

전계 효과 트랜지스터의 아이디어

1920년대에 엔지니어들은 이 지식을 바탕으로 황화납과 산화구리를 기반으로 한 최초의 다이오드를 개발했다. 무엇보다도 라디오 수신기에 설치되었다. 1925년 초에 물리학자 Julius Lilienfeld는 이러한 유형의 반도체 다이오드가 진공관과 유사한 세 번째 전극을 통해 3극관으로 변환되는 구성 요소를 설명했다. 전계가 반도체의 전류 흐름에 영향을 미치기 때문에 그는 시스템을 전계 효과 트랜지스터(FET)라고 불렀다.

그러나 이러한 반도체 삼극관을 실제로 구현하려는 모든 시도는 실패했다. 반도체 내부의 물리적 프로세스에 대해 알려진 것이 너무 적었다. 또한 당시에 사용되던 금속산화물이나 금속황화물반도체는 화학적 화합물로 제조 공정상 결정구조와 전기적 성질의 변동이 심했다. 진공관을 대체할 수정체에 대한 탐색은 결국 막다른 골목이었을까?
(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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