(지난 호 트랜지스터의 증폭작용에서 이어집니다) 트랜지스터는 증폭작용 이외에도 다른 중요한 일을 할 수 있습니다.


아래 그림에서 보면, (가)회로의 PNP 접합 트랜지스터를 보면 왼편의 P-N 접합은 인가된 전원으로부터 순방향이어서 전류가 흐를 수 있지만, 오른편의 N-P 접합은 전원의 +극성이 Negative에, -극성이 Positive 쪽으로 역방향 연결된 상태라 전자의 이동이 없어 전류가 흐를 수 없습니다.


하지만 (나)회로와 같이 전원 회로를 하나 더 연결하여 전압을 추가하면 오른편의 P-N접합도 순방향이 되므로 전자의 이동이 발생하여 전류가 흐를 수 있습니다. 이처럼, 추가 전원의 연결 여부가 전류의 흐름을 결정하는 것을 트랜지스터의 스위치 작용이라고 합니다.


▲ 트랜지스터의 스위치 작용 ⓒ양원모


스위치 작용은 주로 컴퓨터를 만들 때 사용합니다. 요즘에는 대부분 전기용품이 컴퓨터로 이루어져 있지요. 컴퓨터 속에는 디지털 회로가 들어 있는데, 이 디지털 회로의 작동 원리는 2진수의 원리 즉 ‘0’과 ‘1’이라는 두 가지 신호로만 작동되도록 설계된 것입니다.


두 가지 신호란, 예를 들어, 스위치를 올려서 형광등에 불이 켜진 ON 상태를 ‘1’, 스위치를 내려서 형광등의 불이 꺼진 OFF 상태를 ‘0’이라고 하는 것과 같습니다. 이러한 두 가지의 상태를 트랜지스터가 조절할 수 있는데, 아래 그림에서처럼 베이스와 연결된 전류를 ON, OFF 함으로써 이미터와 컬렉터 사이에 흐르는 전류를 ON, OFF로 조절할 수 있다는 것입니다.


▲ 베이스 전류에 따른 Ic-Vc 변화


즉, 아래 그림과 같이 베이스 전류 Ib를 흐르게 하면 컬렉터 전압은 거의 이미터 전압이 되어 ON 상태의 스위치로서 기능하고, Ib를 흐르지 않게 하면 거의 전원 전압이 되어 OFF 상태의 스위치 기능을 하게 되지요.


▲ 베이스 전류에 따른 스위치 작용


현대사회에서 없어서는 안 될 스마트폰, TV 등의 각종 전기용품 속에는 디지털 회로가 들어가 있는데요, 이 디지털 회로를 구성하는 트랜지스터가 스위치 작용을 할 수 있도록 설계되어 있답니다.


한편, 트랜지스터는 크게 바이폴러 트랜지스터(Bipolar Transistor)와 FET(Field Effect Transistor)로 나누고 FET는 JFET(Juction FET)와 MOS(Metal Oxide Silicon FET)로 구분합니다. 윌리엄 쇼클리가 발명한 트랜지스터가 바이폴러 트랜지스터이고, 그 후 JFET, MOS가 순차적으로 발명되었습니다.


쇼클리가 트랜지스터를 발명했을 당시에는 그냥 트랜지스터였는데, 이후 FET가 생겨나니 FET와 구분하기 위해서 바이폴러 트랜지스터라고 불렀습니다. FET도 추후 MOSFET가 발명되면서 이와 구분하기 위해 JFET라고 부르게 되었습니다. MOSFET은 보통 MOS라고 많이 부르고 있지요. MOS는 다시 PMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 PMOS 기술, NMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 NMOS 기술, 그리고 이 두 가지 모두 사용하는 CMOS 기술로 발달해 왔습니다.


트랜지스터의 작용은 반도체의 가장 기초적이면서도 중요한 역할을 합니다. 이 동작의 개념을 이해하면 반도체의 핵심에 상당히 근접했다고 할 수 있답니다. 기회가 된다면 나중에 FET와 IC에 대해서도 알아보도록 하겠습니다. (다음 호에는 잠시 가벼운 내용으로 ‘노래하는 반이 3편, 스피커’ 편이 소개됩니다)


참고도서 / 「반도체 제대로 이해하기」, 「만화로 쉽게 배우는 반도체」, 「쇼클리가 들려주는 반도체 이야기」

감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장



Comments : 댓글을 달아주세요

댓글을 달아 주세요


지난 호 반이가 뽀로로 드럼세트에 연결된 마이크로 신나게 노래하는 에피소드에서 이어집니다


반이의 노랫소리가 아무리 크다 해도 마이크를 통해 변환된 전기 신호는 스피커를 울리기엔 턱없이 부족합니다. 이 때문에 이 신호를 증폭시키는 장치가 필요하게 되는데, 이 장치를 앰프(amplifier)라고 합니다.


앰프에는 여러 종류가 있으며, 반도체 산업의 초창기에는 주로 진공관이라는 소자가 핵심 부품으로 사용되었습니다. 하지만 진공관은 부피를 많이 차지하면서도 발열 문제가 심하고 예열 시간이 필요하며, 전력도 많이 소모하는 등의 단점이 있었습니다.


▲ 진공관들의 모습

사진 출처 : https://goo.gl/1BOs64

 

이후 1948년 미국의 벨 연구소에서 윌리엄 쇼클리와 존 바딘, 월터 브래튼, 이렇게 세 명의 과학자에 의해 트랜지스터(Transistor)가 발명되었는데, 이는 진공관의 단점들을 획기적으로 개선할 수 있었습니다. 부피는 진공관의 약 220분의 1로 줄어들었고, 수명도 많이 늘어났습니다. 이렇게 발명된 트랜지스터는 진공관을 대체하였고, 오늘날까지 앰프의 핵심 부품으로 사용되고 있습니다.


이 트랜지스터를 발명한 공로로 쇼클리 등은 1956년 노벨물리학상을 받게 됩니다. 참고로 트랜지스터는 ‘변화하는 저항을 통한 신호 변환기(transfer of a signal through a varister 또는 transit resistor)’로부터 나온 조어라고 합니다.


트랜지스터는 지난 5월호(바로 가기)에 소개한 P-N접합다이오드에 P형 또는 N형 극성이 하나 더 추가된 형태입니다. 아래 그림과 같이, 추가된 극성에 따라 N-P-N형과 P-N-P형 트랜지스터로 구분합니다.


▲ 트랜지스터와 그 구조 ⓒ양원모


트랜지스터는 각각의 극성에 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라는 3개의 다리 구조로 되어 있습니다. 트랜지스터의 기호는 위의 그림과 같으며, 이미터와 베이스 사이의 화살표 방향으로 N-P-N형과 P-N-P형을 구분합니다.


▲ 트랜지스터와 그 기호

사진 출처 : https://goo.gl/PPww8D


이미터는 ‘방출하다, 놓아주다’라는 뜻이고, 컬렉터란 ‘끌어모으다’라는 뜻입니다. 이미터에서 방출한 자유전자(N-P-N형) 혹은 정공(P-N-P형)을 컬렉터가 끌어모아 주는데, 이를 위해서는 N-P-N형 트랜지스터는 컬렉터에 (+) 전압을 걸어주고, P-N-P형 트랜지스터라면 (-) 전압을 걸어주어야 합니다. 앞서 여러 차례 소개한 대로, 자유전자는 (+) 전압으로 이끌리고, 정공은 (-) 전압으로 이끌리기 때문이지요. 트랜지스터를 만들 때는 베이스 영역의 폭을 아주 얇게 만듭니다. 베이스는 이미터에서 방출한 자유전자나 정공이 이곳을 잘 빠져나가 컬렉터에 잘 도달할 수 있도록 힘을 실어주는 장소로 쓰입니다.


이러한 트랜지스터의 역할은 크게 두 가지가 있는데요, 그중 증폭작용에 대해 잠시 알아보겠습니다.

아래 그림과 같이 트랜지스터가 포함된 전기회로에 전압을 걸면, 아래쪽의 P-N 접합에서는 이미터에서 베이스 쪽으로 정공이 이동합니다. 그래서 화살표 방향으로 전류가 흐르게 되지요. 이때 위쪽의 N-P 접합 사이에 아래쪽보다 더 높은 전압을 걸어 주면, 이미터에서 베이스로 이동하던 정공이 컬렉터 쪽의 높은 전압에 이끌려 대부분 컬렉터 쪽으로 이동하고 소수의 정공만이 베이스 쪽으로 이동합니다.


즉, 대부분 전류가 컬렉터 쪽으로 흐르고 소량의 전류만이 베이스 쪽으로 흐르게 됩니다. 그래서 순방향 전압에 의한 베이스 전류(Ib)를 약간만 변화시켜도 컬렉터 전류(Ic)는 더 크게 변화시킬 수 있습니다. 마이크를 베이스에 연결하고, 스피커를 컬렉터와 연결하면 이미터에 입력된 작은 신호가 컬렉터에서 큰 신호로 출력되도록 제어할 수 있는 것입니다. 이러한 트랜지스터의 역할을 증폭작용이라고 합니다.


▲ 증폭 작용

그림 출처 : 「쇼클리가 들려주는 반도체 이야기」


한편, 일본의 소니(Sony) 사는 1955년 8월 이 기술을 이용한 트랜지스터라디오(TR-55)를 개발하여 큰 성공을 거두었습니다. 세계 최초의 트랜지스터라디오인 미국 레전시 사의 TR-1보다 비록 10개월 늦었지만, 뛰어난 성능과 싼 가격으로 수출의 물꼬를 트며 이때부터 ‘전자제품의 왕국 일본’의 신화를 써내려가기 시작했습니다.


트랜지스터의 역할 중 다른 하나는 스위치 작용입니다. 이것은 디지털 회로를 구성하는 가장 기초적이고 중요한 역할입니다. 다음 시간에는 트랜지스터의 스위치 작용에 대해 알아보겠습니다!


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장



Comments : 댓글을 달아주세요

댓글을 달아 주세요


 최초의 다이오드


드디어 1900년대가 시작되면서, 1904년에 존 플레밍(John Ambrose Fleming, 1849-1945)에 의해 최초의 다이오드(전극 두 개 곧 원통과 필라멘트를 갖고 있으므로 이극진공관(二極眞空管), 즉 다이오드(diode)라고 부르게 되었습니다)가 개발되었습니다. 아래 왼쪽 사진에서 보면, 이극진공관의 모습이 보입니다. 다리가 3개인 이유는 음극을 가열해 열전자(熱電子)가 방출되도록 히터를 부착했기 때문입니다. 이것은 무선통신 신호를 검출(檢出)하기 위한 정류기의 부품으로 사용되기 시작하면서 전자공학의 불씨를 붙였습니다.


▲ (좌) 라디오 수신장치 역할을 한 플레밍 밸브, (우) 최초의 삼극진공관 오디온

사진 출처 : Gregory F. Maxwell at Wikipedia.org


그로부터 2년 후, 미국인 발명가 리 드 포레스트(Lee de Forest, 1873-1961)는 필라멘트와 플레이트, 그리고 그리드로 구성되어 삼극진공관(三極眞空管)이라 불리는 증폭기(위에서 오른쪽 사진)를 발명함으로써 인류가 처음으로 기계적인 조작 없이 전류의 흐름을 통제할 수 있게 되었습니다.


전자공학시대의 시작과 혁명


삼극진공관이 개발되면서 드디어 본격적인 전자공학시대가 열립니다. 진공관이 무선 전신기에 설치되는 데 성공함으로써 이 기술의 상용화가 열리게 되었고, 때마침 개발되기 시작한 무선통신, 무선방송의 발전을 불러일으켜 라디오 및 텔레비전 전성시대가 도래하였습니다. 포레스트는 최초로 유성영화(그전에는 무성영화가 상영되었으며 인기 변사가 구수한 억양으로 모든 등장인물의 대사를 대신했었지요)를 탄생시키고, 그 공으로 오스카 상을 받았다고 합니다.


1946년에는 드디어 진공관 18,000여 개가 사용된 최초의 전자적 컴퓨터 에니악(ENIAC)이 발명됩니다. 제2차 세계대전 때 야포나 미사일의 탄도를 계산하기 위한 목적으로 국방부의 지원으로 개발이 진행되었는데, 전쟁이 종료되고 나서 완성되었다고 하지요. 하지만 이 컴퓨터는 길이가 30미터, 무게가 30톤, 소비전력이 140kW에 달했습니다. 에니악의 전원 스위치가 올라가자 펜실베이니아의 가로등들이 깜박이면서 갑자기 희미해 졌다고 하니 얼마나 많은 전력을 소비했는지 짐작이 갑니다.


앞서 오른쪽 사진에서처럼 18,000여 개의 진공관이 빨갛게 켜지며 작동하는 것을 상상해 보세요. 여기에서 발생하는 열의 양은 엄청났습니다. 오늘날 데스크톱 컴퓨터처럼 작은 팬으로 냉각하는 것이 아니라 거대한 냉각장치까지 동원되어야 했으니 그 크기가 웬만한 빌딩보다 컸다고 합니다. 또한, 진공관의 수명이 짧아서 툭하면 기계가 고장 나기 일쑤라 이를 위해 많은 사람이 진공관 교체를 위해 대기해야 했으며, 실제로 에니악을 사용하는 시간보다 수리하는 시간이 4배나 더 길었다고 합니다.


▲ (좌) 세계 최초의 컴퓨터 에니악, (우) 에니악 진공관


1947년 12월, 미국 벨 연구소에서 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리, 존 바딘에 의해 진공관을 대신할 수 있는 고체 상태의 트랜지스터(벨 연구소의 월터 브래튼, 존 바딘 등 3명의 과학자가 1947년 12월 게르마늄 평판에 금 박편을 접촉한 접점 트랜지스터 개발에 성공함으로써 최초의 트랜지스터가 탄생했습니다. 1948년 1월 윌리엄 쇼클리에 의해 접촉 트랜지스터(일명, 샌드위치 트랜지스터)를 고안해 내었습니다. 한 연구팀에서 두 개의 서로 다른 트랜지스터가 발명된 셈이며, 1956년 위의 세 사람은 노벨상을 공동 수상했습니다)가 아래 사진의 형태로 처음 발명되어 진공관 시대에 안녕을 고하며 반도체 시대를 화려하게 열면서, 드디어 전자공학의 혁명을 일으키게 됩니다.


▲ 1947년 뉴욕 벨연구소에서 개발된 최초의 ‘트랜지스터’


트랜지스터는 증폭작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자로써 ‘변화하는 저항을 통한 신호 변환기’라는 신조어입니다. 트랜지스터가 개발된 후 전자기기의 크기 및 소비전력이 대폭 줄어들고 가격도 획기적으로 낮아지게 되었습니다. 수 개의 트랜지스터가 하나의 기판에 모여 있는 집적회로의 개념이 개발되면서, 드디어 전자기기의 경박단소(가볍고, 얇고, 짧고, 작은) 및 다기능화가 급속히 이루어지게 되었고, 이때부터 작고 값싼 라디오, 계산기, 컴퓨터 등의 개발이 활발해졌습니다.


오늘날의 반도체 집적회로(IC)는 수억 개의 트랜지스터를 하나의 손톱만 한 칩에 형성하고 있는데, 이러한 반도체 집적회로(IC)의 개념은 1952년 영국의 듀머에 의해 제안되었고, 1958년 텍사스 인스트루먼트(TI) 사에 의해 최초로 개발되었습니다. 이제 초고집적의 반도체는 원자 수십 개 정도의 크기로 선폭을 형성하는 경이할 수준까지 오게 되었습니다.


아래 그림은 전자공학과 반도체의 발달 과정을 간략히 보여줍니다. 먼저, 진공관이 발견되어 무선통신 및 무선방송의 전성시대를 이루면서 전자공학의 시대를 열었고, 고체 트랜지스터가 발견되어 작고 가벼우며 값싼 전자기기들을 제조할 수 있게 되어 전자공학의 혁명을 이루었으며, 많은 트랜지스터를 작은 칩 위에 올려놓은 집적회로가 발명되어, 현재에는 수십억 개의 트랜지스터가 손톱만 한 칩에 들어가 있는 초고집적 회로 시대에 이르렀습니다.


▲ 논리 회로 소자의 발달 과정


지금까지 전자공학과 반도체의 역사를 살펴보았습니다. 아무래도 역사는 따분하고 졸리고 어렵지요. 이제는 반도체에 대한 깊은 이야기 속으로 들어가기로 하겠습니다. 도대체 반도체의 정체가 무엇인지, 어떤 성질을 가지고 있는지, 어떻게 쓰이고 있는지 재미있게 다루어 보려고 합니다, 다음 호를 기대해 주세요!




Comments : 댓글을 달아주세요

댓글을 달아 주세요