정보들이 공기처럼 퍼진 현시대에서 모든 정보는 센서로 획득되고, 반도체 기술로 전달 및 처리되며, 디스플레이로 표시됩니다. 센서와 디스플레이는 전자 부품을 의미합니다. 반도체는 소재입니다.
반도체, 半導體, semi-conductor 즉, 절반을 나타내는 ‘半’과 전기가 흐르는 물질인 ‘導體’의 합성어입니다. 전기가 흐르지 않는 물질인 부도체(不導體, 혹은 절연체)와 도체의 중간쯤에 해당하는 물질이죠. 전기가 반쯤 흐르는 물질, 혹은 전기가 흐르지 않기도 하고 흐르기도 하는 물질로도 표현할 수 있겠네요.
필요에 따라 부도체 혹은 도체로 자유로이 조절할 수 있기에 반도체는 매우 쓸모가 있는 전기전자 소재가 되었습니다. 이러한 반도체 소재로 제작된 집적회로, 즉 메모리와 시스템 반도체들이 정보를 전달, 저장, 처리하는 데 핵심 역할을 하고 있죠. 반도체 이야기를 옛날부터 앞날까지 따라가 봅니다.
진공관에서 반도체로
반도체 기술은 1800년대 중반부터 시작되었습니다. 지금은 실리콘이 반도체를 대표하는 재료이지만, 당시에는 안티몬화아연(ZnSb), 황화납(PbS), 황화은(AgS) 등의 화합물을 이용하였죠. 1874년에 독일의 물리학자인 카를 페르디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)은 황화납(PbS) 반도체에 금속 핀을 접촉하여 점 접촉 다이오드(point-contact diode)를 제작, 다이오드로서의 정류 기능을 얻었습니다.
이와 함께 카를 브라운은 1897년에 브라운관을 발명하였죠. 브라운관은 음극에서 열전자 방출된 전자선이 전극을 통하여 가속, 편향되면서 양극에 해당하는 화면에 코팅된 형광체를 충격 여기하여 빛을 만들어주는 구조입니다.
이는 정보를 표시하는 전자 정보 디스플레이의 시초였으며, 1904년과 1907년에 발표된 존 앰브로즈 플레밍(John Ambrose Fleming)의 정류용 2극 진공관, 리 디 포리스트(Lee de Forest)의 증폭용 3극 진공관과도 연계되는 기술이죠. 이러한 진공관들이 전기 신호들을 변화하는 데 먼저 사용이 됩니다.
2극 진공관은 음극과 양극으로만 구성되는데 교류 신호에서 한쪽 방향으로의 전류만 통과시키는 정류 기능을 가집니다. 3극 진공관은 브라운관과 유사한 구조로 전자를 방출하는 음극과 수집하는 양극, 그리고 양극으로 향하는 전자를 제어하는 그리드로 구성되죠. 3극 진공관은 그리드가 양극에서 음극으로의 전자 이동 여부를 결정하는 스위칭 기능과 그리드에 인가되는 전압 신호가 작더라도 이에 대응하여 양극 쪽에 이르는 전자의 수가 크게 변함으로써 큰 전류 변화를 유도하는 증폭 기능을 가집니다.
이러한 진공관들은 1900년대에 들어서면서 전기 신호의 송수신 여부를 결정(스위칭)하고, 전파 신호를 교류에서 직류로 변환(정류)하며, 입력 신호의 작은 변화가 출력 신호의 큰 변화를 유도(증폭)하는 등 전기가 기계적인 힘을 전달하는 동력 수단으로만 국한되지 않고 전기 신호, 즉 정보의 전달과 처리 수단으로 확장되는 계기를 마련합니다. 특히 무선 통신의 획기적인 발달을 일구어내죠.
그 후 진공관은 정류, 스위칭 및 증폭, 그리고 발진 및 주파수 변환 등을 담당하면서 라디오나 텔레비전의 송수신기를 비롯하여 레이더, 전화 교환기, 무선 통신 장비, 계측기 등 가전과 산업, 군수용 전자 기기의 핵심 부품으로 자리매김을 하죠.
드디어 1946년, 진공관을 사용하여 세계 최초의 컴퓨터인 에니악(Electronic Numerical Integrator And Computer, ENIAC)이 만들어집니다. 애니악에는 1만 8천여 개의 진공관이 들어가는데, 규모도 어마어마하여 길이 25미터, 폭 1미터, 높이 2.5미터의 집채만한 크기에 무게도 30톤에 이르렀죠.
당시에는 인간의 뇌를 초월한 전자 기계 장치로서 실로 획기적이었지만, 반면에 너무 큰 부피와 무게, 잦은 고장과 과도한 전력 소모 등이 골칫거리가 되었죠. 실제로 애니악을 가동할 때 펜실베니아 도시 전체의 전력 공급 상태가 영향을 받았다고 전해집니다.
주된 이유는 진공관에 있었는데, 진공관은 기본적으로 진공으로 유지되는 유리관 안에 필라멘트가 설치되고, 이를 가열하여 전자를 외부로 방출시켜 동작을 하므로 크기를 줄이는 데 한계가 있고, 이에 더하여 필라멘트를 가열하는 데 필요한 전력, 높은 가열 온도와 필라멘트의 짧은 수명, 유리 부품으로 충격에 약한 점 등이 문제가 되죠. 따라서 크기가 작고, 보다 견고한 고체 전자 소자를 향한 욕구가 커져만 갔습니다.
반도체 트랜지스터의 등장
1948년, 마침내 진공관의 단점을 해결할 수 있는 새로운 소자가 등장합니다. 벨 연구소의 윌리엄 쇼클리(William Bradford Shockley)와 월터 브래튼(Walter Brattain), 존 바딘(John Bardeen)이 점 접촉형 트랜지스터(point-contact transistor)를 발표하였죠.
모양을 살펴보면 반도체인 게르마늄 블록을 아래에 두고 위쪽에는 두 변에 금 전극이 부착된 삼각형 모양의 플라스틱 구조물을 설치하였습니다. 플라스틱 삼각형 구조물의 꼭지점에 해당하는 부분에는 금 전극이 없는 좁은 간격을 두어 두 변의 금 전극 간에는 전기적인 절연을 이룬 상태에서 한쪽 금 전극(이미터)을 통하여 전압을 인가, 작은 전류를 흘리면 다른 쪽 금 전극(콜렉터)과 게르마늄 블록 위의 전극(베이스) 사이에는 큰 전류가 흐르게 됩니다. 3극 진공관이 가진 스위칭 기능과 증폭 기능을 작고 단단한 고체 소자가 재현한 거죠.
점 접촉형 트랜지스터가 작동에는 성공하였지만 실제 제품으로 제작하기에는 다소 무리가 있던 터라, 연구팀의 리더였던 쇼클리는 보다 안정적이고 실제 제작에도 유리한 샌드위치 구조의 트랜지스터 연구를 독자적으로 진행합니다.
그리고, 1949년에 현대판 트랜지스터의 원조격인 쌍극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)의 기본 구조를 발표하게 됩니다. 이는 면 접촉형 트랜지스터로 점 접촉형의 작은 접점보다는 훨씬 큰 면적을 통하여 전하들이 주입되어 채널을 이루기 때문에 성능이 크게 향상되었고 또한 구조도 평면 샌드위치 모양으로 단순화되어 생산성을 갖춘 트랜지스터로서의 면모를 보이게 되죠.
이상과 같이 트랜지스터의 발명을 기점으로 정류 기능, 스위칭과 증폭 기능을 담당하던 진공관이 고체 소자로 급격하게 전환됩니다. 작은 반도체 조각이 유리관을 대체하면서 진공관에서 감수하여야 했던, 필라멘트의 짧은 수명과 높은 소비 전력, 큰 부피와 약한 내구성으로부터 해방된 거죠.
1954년에 벨 연구소에서는 최초의 트랜지스터 컴퓨터인 트래딕(Transistor Digital Computer, TRADIC)이 제작되었는데, 진공관 컴퓨터와 대등한 성능을 가지면서도 크기는 1/300, 소비 전력은 1/1,500 수준으로 줄일 수 있었답니다. 이러한 고체 전자 소자들의 등장을 계기로 하여 반도체 위에 다이오드와 트랜지스터, 저항, 커패시터 등을 배치, 서로 연결시키는 집적회로(Integrated Circuit, IC)의 시대가 서막을 열게 됩니다.
