반이아빠의 장난감 속 반도체 - 노래하는 반이 2편, 트랜지스터

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