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- 1950년대와 1960년대에는 거의 모든 트랜지스터가 단결정 게르마늄으로 만들어졌다.
- 게르마늄에는 여러 가지 단점; 누설전류 발생, 열에너지에 약해 성능 상실
- 1954년 4월 14일 TI 연구원들은 작동하는 npn 실리콘 트랜지스터 만들어 최초로 대량 생산

실리콘 시대로의 출발 : 반도체가 세상을 바꾼다

한 가지 중요한 돌파구가 여전히 빠져 있었다. 바로 오늘날 거의 모든 회로와 전자 제품에서 발견되는 반도체인 실리콘으로의 전환이다. 1950년대와 1960년대에는 거의 모든 트랜지스터가 단결정 게르마늄으로 만들어졌기 때문이다. 이 원소는 녹는점 덕분에 처리하기 쉽고 결정 격자에서 전하 캐리어의 빠른 흐름으로 인해 높은 스위칭 속도를 가능하게 한다. 

▲ 첫 번째 트랜지스터는 반도체 게르마늄으로 만들어졌다. © Hi-Res Images of Chemical Elements/ CC-by-sa 3.0

게르마늄의 문제

트랜지스터 재료로서 게르마늄에는 여러 가지 단점이 있다. 이 반도체의 밴드 갭이 0.64eV(전자볼트)로 상대적으로 작기 때문에 원치 않는 누설 전류가 자주 발생한다. 약 75도 이상의 온도에서는 열에너지가 재료를 전도성으로 만들기에 충분하다.

결과적으로 게르마늄 트랜지스터는 이 온도 이상에서 스위칭 기능을 상실하고 사용할 수 없게 된다. 반면에 실리콘은 훨씬 더 안정적이다. 밴드 갭이 더 크기 때문에 이 소재로 만든 트랜지스터는 더 높은 온도에서도 기능을 유지한다.

문제는 실리콘이 1,415도로 더 높은 용융 온도를 갖고 있고 반응성이 더 높아 고순도 단결정 블록을 생산하기 어렵다는 점이다. 산소 및 기타 불순물로 오염되어 결정의 전자 성능이 저하된다. 그 결과 처음에는 필요한 순도와 도핑을 갖춘 실리콘 반도체를 생산하는 것이 거의 불가능했다.

최초의 실리콘 트랜지스터 경쟁

1954년이 되어서야 연구자들은 이러한 난관을 극복할 수 있었다. 그리고 이것은 거의 동시간 대에 두 번 독립적으로 일어났다. Bell Labs의 화학자 모리스 타네바움(Morris Tanenbaum)은 용융물에서 단결정이 만들어지는 동안에 실리콘의 도핑 속도를 조정할 수 있었다. 1954년 1월 26일, 팀은 증폭 효과가 좋은 최초의 npn 실리콘 트랜지스터를 만드는 데 성공했다. 그러나 Bell Labs는 처음에 이 발명을 공개하거나 특허를 취득하지 않기로 결정했다.

동시에 이전 Bell Labs 화학자 고돈 틸(Gordon Teal)도 젊은 회사인 Texas Instruments에서 원하는 특성을 가진 실리콘 반도체를 생산하는 프로세스에 대해 작업하고 있었다. 불충분한 순도 문제를 피하기 위해 Teal의 팀은 트랜지스터 샌드위치의 중간층을 매우 얇게 만드는 방법을 개발했다. 두께는 25㎛에 불과하다. 이로 인해 반도체의 전하 캐리어가 일부 불순물에도 불구하고 이 장벽을 극복할 수 있었다. 1954년 4월 14일 연구원들은 작동하는 npn 실리콘 트랜지스터를 만들었다.

▲ 오늘날 실리콘은 트랜지스터용으로 선택되는 반도체다. 여기 석영 조각, 원시 실리콘, 실리콘 단결정 및 프로세서가 있다. 아래는 실리콘 웨이퍼의 가장자리다. © 2×910/ CC-by-sa 4.0

홍보 쿠데타

Bell Labs와 달리 Texas Instruments는 이 혁신을 가능한 한 빨리 알리는 데 주저하지 않았다. 1954년 5월 10일에 Teal은 전문가 회의에서 새로운 실리콘 트랜지스터를 발표했다. 실리콘 트랜지스터: 주머니에 몇 개가 있다.”라고 그는 말했다.

그런 다음 Teal은 청중에게 이러한 구성 요소의 장점에 대해 매우 실용적인 시연을 했다. 그는 라우드스피커에 연결된 게르마늄 트랜지스터를 뜨거운 기름에 담그면 미리 재생되고 있던 음악이 즉시 중지되었다. 그는 실리콘 트랜지스터로 똑같이 반복했고 음악은 계속 들렸다. 홍보 스턴트는 성과를 거두었다. Teal이 개발한 방법이 우세했다. 또한 경쟁 방법이 표준화하기가 쉽지 않았기 때문이다. 이로 인해 Texas Instruments는 실리콘 트랜지스터를 대량 생산하는 최초의 제조업체가 되었다.

새로운 시대

실리콘 시대는 이러한 혁신과 함께 시작되었으며 반도체 및 컴퓨터 산업의 급속한 발전을 위한 길을 열었다. 1960년대와 1970년대에 실리콘 트랜지스터는 오래된 게르마늄 부품을 대체하는 동시에 새로운 유형의 트랜지스터가 대량 생산, 소형화 및 집적 회로로의 통합을 촉진했다.

"이 반도체 장치는 우리의 주머니와 책상에 컴퓨터를 넣고 전 세계 통신 네트워크를 가능하게 했다"라고 Riordan은 말한다. "트랜지스터가 괜히 정보화 시대의 신경세포라고 불리는 것이 아니다." 트랜지스터가 없으면 오늘날 우리 세상은 완전히 달라졌을 것이다.(끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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