반도체란? 트랜지스터의 발명 및 역사

도체(Conductors): 전류가 아주 쉽게 통과할 수 있도록 도움을 주는 속성으로 구리, 은 , 금과 같은 물질

절연체(insulators): 전류가 흐르지 않는 도체로 고무, 플라스틱 같은 물질

 

저마늄(germanium)과 실리콘(silicon) 같은 원소는 반도체라 불리는데 전도체에 비해서 절반 정도 전류가 흐르기 때문이 아니라, 다양한 방법으로 전도성(conductance)이 조절될 수 있기 때문이다. 순수한 반도체의 경우 매우 안정된 원자의 형태를 가지고 있으며, 각각이 다이아몬드 형태의 결정 구조를 가지고 있고 반도체가 결정 구조를 형성하고 있을 때는 전도성이 거의 없게된다.

 

하지만 반도체에 특정한 불순물을 첨가하여 화합물을 만들 수 있다. 첫 번째 종류의 불순물은 원자들 간의 결합에 요구되는 것보다 많은 전자를 제공해주는데 이러한 형태로 이루어진 반도체를 N-형 반도체라 하고 다른 형태의 불순물은 P-형 반도체를 만들게 된다. 두 개의 N-형 반도체 사이에 P-형 반도체를 끼워 넣는 형태를 구성함으로써 반도체로 증폭기를 만들어 낼 수 있다. 이를 NPN 트랜지스터라 말하며, NPN 트랜지스터의 세 부분을 각각 컬렉터(collector), 베이스(base), 이미터(emitter)라 한다. 

 

NPN 트랜지스터 기호

베이스에 걸리는 낮은 전압을 이용하여 컬렉터와 이미터 사이에 걸려있는 큰 전압을 제어할 수 있다.만일 베이스에 전압이 걸려있지 않다면, 실질적으로 트랜지스터를 끈 것과 같다. 트랜지스터는 보통 쑥 비어져 나온 세 개의 다리를 지름이 약 0.6cm 정도 되는 금속 통이 감싸고 있는 형태이다.

트랜지스터

트랜지스터로 인하여 고체 전자 공학(solid-state electronics)이라는 학문이 열렸다.

 

이는 트랜지스터가 진공관을 필요로 하지 않게 만들었으며 반도체나 실리콘과 같은 고체를 이용하기 때문이다. 트랜지스터는 진공관에 비하여 훨씬 작았으며, 전력소모도 적고 열도 적게 발생하며 수명 역시 훨씬 길었다. 진공관 라디오를 주머니에 넣고 다니는 것은 상상할 수도 없는 일이었다. 하지만 트랜지스터 라디오는 진공관과는 다르게 작은 배터리로 전력을 공급받을 수 있었으며 뜨거워지지도 않았다. 

 

최초의 휴대용 라디오에는 이후 반도체 혁명에서 중요한 역할을 한 회사인 텍사스 인스트루먼트에서 만든 트랜지스터가 사용되었다. 트랜지스터가 최초로 상업적으로 응용된 분야는 보청기 부분이었는데, 평생 청각 장애인을 위하여 헌신하던 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)의 유지를 기려 AT&T는 보청기 제조사에 로열티 없이 트랜지스터 기술을 사용할 수 있도록 허가해주었다. 이후 트랜지스터가 채용된 최초의 텔레비전은 1960년에 발표되었고 오늘날 진공관을 사용한 기기들은 대부분 사라지게되었다.

 

릴레이, 진공관, 트랜지스터는 모두 원래 증폭을 위하여 개발되었지만, 모두 비슷한 방법을 사용하여 컴퓨터를 만들 수 있는 논리 게이트를 만들 수 있다. 최초의 트랜지스터 컴퓨터는 1956년에 만들어졌으며, 얼마 지나지 않아 새로운 컴퓨터의 설계에 진공관은 더 이상 사용하지 않게 되었다.

 

그렇다면 트랜지스터가 컴퓨터를 좀 더 간단하게 만들게 해주었을까 ?

 

그렇지는 않다. 물론 트랜지스터를 사용함으로써 좀 더 좁은 공간에 더 많은 논리 게이트를 넣을 수 있게 되었지만, 이러한 구성요소들을 어떻게 배치하고 서로 연결할지를 생각해야 하는 것은 마찬가지이다. 즉, 릴레이나 진공관을 연결하던 것과 마찬가지로 논리 게이트를 만들기 위해서 트랜지스터를 연결하는 것은 어렵다. 어떤 면에서 보면 트랜지스터가 더 작고, 잡기 편하지도 않기 때문에 더 어렵다고 볼 수도 있다. 

 

하지만 트랜지스터 조합에는 반복적으로 나타나는 특정한 규칙이 있다. 몇 쌍의 트랜지스터들은 거의 대부분 게이트를 만들기 위하여 사용된다. 게이트들은 플립플롭이나 덧셈기, 선택기, 디코더를 만들기 위해 배선되며 플립플롭들은 다중 비트 래치 또는 RAM 배열을 만들기 위하여 조합되어 사용된다. 만일 자주 사용되는 구성에 대해서 트랜지스터들이 미리 연결되어 있는 상태라면 컴퓨터를 구성하는 것이 훨씬 편할 것이다.

 

이러한 생각은 영국 물리학자인 제프리 더머(Geoffrey Dummer)에 의하여 처음 1952년 5월 제안되었으며 1958년 7월 텍사스 인스트루먼트의 잭 킬비(Jack kilby)가 저항이나 다른 전자 부품과 마찬가지로 다수의 트랜지스터 역시도 하나의 실리콘 형태로 집적해내면서 현실이 된다. 6개월 뒤 1959년 1월, 로버트 노이스(Robert Noyce)역시 기본적으로는 같은 생각을 하게 되었다. 기술 개발의 역사에서, 각기 독립적이면서도 동시에 일어나는 발명은 상상하는 것 이상으로 자주 일어난다. 킬비가 노이스보다 6개월 정도 먼저 이러한 장치를 발명했고, 텍사스 인스트루먼트가 페어차일드보다 먼저 특허를 제출했지만, 특허가 먼저 등록된 것은 노이스였다. 이는 특허 공방으로 이어졌으며 10년후에는 양측 모두 만족할 만한 합의점을 찾게 되었다. 비록 둘이 공동작업을 한 것은 아니지만, 오늘날 킬비와 노이스는 칩(chip)이라 불리는 직접회로(integrated circuit, IC)의 공동 발명자로 여겨지고 있다.

 

직접회로는 미세한 구성요소들을 만들기 위하여 서로 다른 영역들에 정밀하게 불순물을 첨가하고 에칭 등의 처리를 통하여 얇은 실리콘 웨이퍼 층을 만들어 내는 복잡한 과정을 거치게 된다. 실제 실리콘칩은 매우 얇고 섬세하기 때문에 반드시 패키지를 이용하여 보관해야 하며, 패키지는 칩을 보호하고 칩 안의 요소들을 다른 칩과 연결할 수 있는 방법을 제공해 주는 역할을 한다. 반도체를 패키지하는 방법은 여러가지가 있는데, 저렴한 반도체들에서 가장 많이 사용하는 방법은 아래 그림과 같이 사각형 플라스틱의 양쪽에 14, 16혹은 40개 정도의 핀들을 늘어놓는 DIP(dual inline package) 형태이다.

 

이 그림은 16핀을 가진 칩이다. 그림과 같이 홈이 파여 있는 지점이 왼쪽에 오도록 침을 들면, 왼쪽 하단에서부터 우측을 돌아서 다시 왼쪽 상단순으로 1번에서 16번까지의 번호가 매겨지게 된다. 각각의 핀은 정확히 1/10인치씩 떨어져 있다.

 

 

 

1960년대의 우주개발 계획과 무기 개발 경쟁은 초창기 직접회로 시장이 성장하는 데 큰 도움을 주었다. 민간 부문에서 직접회로를 포함한 최초의 상용 제품은 1964년에 제니스(Zenith)사에서 판매한 보청기였다. 1971년 텍사스 인스트루먼트는 최초의 휴대용 계산기와 최초의 전자시계인 펄사(Pulsar)를 판매하기 시작했다. 그 후 직접회로를 이용하는 수많은 제품들이 등장하게 되었다.

 

1965년 당시에는 페어차일드에 근무하고 이후 인텍(Intel)의 공동 설립자가 된 고든 무어(Gordon E. Moore)는 기술의 발전으로 인하여 하나의 칩 안에 집적될 수 있는 트랜지스터의 수가 1959년 이래로 매년 거의 두배씩 증가하고 있다는 것을 깨달았다. 그는 이런 경향이 계속해서 지속될 것이라 예측했고, 이러한 경향은 약간 느려졌으며, 결국 무어의 법칙(Moore's Law)이라 불리게 된 이 예측은 칩에 집적되는 트랜지스터의 수가 18개월 마다 2배로 늘어날 것이라는 것으로 변경되었다.

이는 매우 놀랄 정도로 빠른 발전 속도이며, 가정에서 구입한 컴퓨터가 몇 년 지나지 않아 구식이 되어버리는 이유를 잘 설명해준다. 

 

초기에 직접회로를 직접도에 따라

- 10개 이하의 논리 게이트가 직접된 칩을 저집적(small-scale integration, SSI)

- 10에서 100개 정도의 논리 게이트가 집적된 칩을 중집적(medium-scale integration, MSI)

- 100에서 5000개 정도의 논리 게이트가 집적된 칩을 고집적(large-scale integration, LSI) 회로와 같은 식으로 불렀다.

 

이러한 용어는 집적도가 높아지면서

VLSI(very-large-scale integration, 5000에서 50,000)

SLSI(super-large-scale integration, 50,000에서 100,000)

ULSI(ultra-large-scale integration, 100,000 게이트 이상)와 같은 용어로 올라가게 되었다.

 

1970년대 초반에 이르러 컴퓨터 프로세서를 만드는 데 IC를 이용함으로써, 전체 프로세서를 하나의 회로 보드 상에 구현하는 것이 가능해졌다. 프로세서를 하나의 칩안에 구현하는 것도 단지 시간문제였다.

---

프로세서의 속도의 차이에는 세가지 속성이 큰 역할을 한다.

 

1. 최대 클럭 주파수: 프로세서의 전반적인 속도에 영향을 미친다.

2. 프로세서 데이터 폭: 4비트 프로세서에서 32비트 숫자를 더할 수 있지만, 32비트 프로세서 처럼 빠르게 할 순 없다.

3. 접근 가능한 최대 메모리 크기: 프로세서는 언제나 메모리 제약을 받고 있으며, 이로 인하여 다른 저장장치에 정보를 저장하고 복구하기 위하여 메모리 주소의 일부를 사용한다.