[권석원의 IT/과학 칼럼] 트랜지스터에 대하여

스마트폰과 가전제품이나 자동차 등 많은 기기에 널리 쓰이는 반도체는 어떻게 발견되었고 만들어졌는지 궁금해졌다. 반도체는 작은 소자 하나로 수많은 연산을 처리하거나 엄청난 양의 데이터를 저장하는 등 정보통신기술 발달에 크게 기여하였다. 반도체의 시초는 무엇일까? 반도체의 시초는 바로 트랜지스터라고 불리는 작은 전자소자이다. 트랜지스터는 전류나 전압의 흐름을 조절하고 증폭하거나 스위치 역할을 하는 소자이다.

 

 

1947년 미국 벨 연구소의 윌리엄 쇼클리의 연구팀은 빛을 쪼이거나 전자를 주입하면 전도도가 달라지는 소자(트랜지스터)를 처음으로 개발하였다. 이렇게 개발된 작은 소자가 전자공학 분야에 큰 혁명을 가져왔다. 기존의 진공관을 대체하면서 거대하고 비싸 일반인들은 사용하지 못했던 컴퓨터를 비롯한 라디오, 계산기와 같은 기기들이 소형화되고 저렴해지면서 일반인들도 더 쉽게 사용할 수 있게 되었다.

 

 

접합형 트랜지스터는 p형반도체와 n형반도체를 사용해 세 개의 층으로 접합하여 만들어지고 각 단자는 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라고 불리운다. 이미터는 총 전류가 흐르고 베이스에서는 전류 흐름을 제어해서 신호를 증폭시켜주면 컬렉터에 증폭된 신호가 출력되는 방식이다.

 

 

전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 전류는 소스영영과 트레인 영역을 연결하는 전도된 채널을 통해 흐른다. 전도성은 게이트 단자와 소스 단자 사이에 전압이 가해질 때 생성되는 전계에 의해 변한다. FET(전계효과트랜지스터, Field effect transistor)는 게이트-소스 전압으로 채널이 켜지거나 꺼지는 여부에 따라 공핍형과 증가형으로 나뉜다. 증가형의 경우 채널은 제로 바이어스에서 오프 상태이고 게이트 전위는 전도도를 향상시킬 수 있다. 공핍형의 경우 채널은 반대로 제로 바이어스에서 켜져 있고 게이트 전위의 채널을 고갈시켜 전도를 감소시킬 수 있다. 두 가지 모드 모두에서 게이트 전압에 양전압을 강하게 걸어줄수록 n채널 디바이스의 경우 더 높은 전류가 흐르고 p채널 디바이스의 경우 더 낮은 전류에 해당한다. 대부분의 JFET(접합형 전계효과 트랜지스터, Joint Field Effect Transistor)는 다이오드가 순방향이기 때문에 공핍형이고 대부분의 IGFET(절연 게이트 전기장 효과 트랜지스터, Insulated Gate Field Effect Transistor)는 증가형을 따른다. <출처 : 네이버 지식백과>
 

 

트랜지스터는 아직까지도 스마트폰, 테블릿, 컴퓨터와 같은 전자기기에 폭 넓게 사용되고 있으며 직접회로의 핵심기술 중 하나이다. 초기의 트랜지스터는 진공관에 비해서는 작은 크기였지만 초소형 기계를 만들기에는 적당하지 않았다. 점점 더 얇은 전자기기를 앞다투어 개발하는 요즘 같은 분위기에 힘입어 최근에는 5nm라는 매우 작은 크기의 트랜지스터를 개발하게 된다. 트랜지스터는 얇으면 얇을수록 회로의 연산 속도가 빨라지게 되고 소모되는 전력 또한 감소하므로 작게 만들려고 개발한다. 소형화에 가장 걸림돌이 되는 것은 현재 열이다. 미세한 전기선으로 과도한 전기량을 보내면 열로 인해 다 타버리게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 많은 연구들이 진행중이므로 향후 나노보다 작은 단위의 트랜지스터가 개발되고 다양한 분야에서 활용되고 인간의 생활이 더욱 편리해지는데 기여할 것이다.

 

불과 60 ~ 70년 전에는 기술의 부족으로 컴퓨터의 크기가 매우 크고 가격이 비쌌다. 하지만 점차 기술이 발달하면서 크기와 가격 모두 내려갔고 그 짧은 시간 안에 부유층만이 사용할 수 있던 컴퓨터가 이제는 어느 누구나 손 쉽게 접할 수 있게 되었다. 미래에는 어떠한 방식으로 발달하여 우리의 삶을 더 편리하고 쾌적하게 만들어줄 지 많은 기대가 된다.

 

 

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