‘트랜지스터’—전자 공업계의 총아

소형 ‘라디오’, ‘텔레비’, 보청기—이러한 것들은 ‘트랜지스터’라고 부르는 전자 공업계의 총아의 덕분에 그 존재가 가능한 것이다. 전자 공업의 경우라고 할 수 있는 이것의 본질은 무엇인가? 그 원리는 물리학의 한 분야인 양자 역학(量子力學)과 큰 관계가 있다. 그것은 원자와 전자 등 대단히 작은 것을 다루는 학문이다.

‘트랜지스터’는 어떤 역할을 하는가? ‘트랜지스터’의 장점은 무엇인가? 그것은 어떻게 만들어지는가?

기본적으로 말해서, ‘트랜지스터’는 진공관과 같은 역할을 한다. 그것의 사용도는 주로 증폭기의 역할에 관한 것이다. 다시 말하면, ‘트랜지스터’는 ‘라디오’나 ‘텔레비’ 수상기의 ‘안테나’가 잡은 신호를 강하게 한다.

이 증폭 장치는 소량의 전기적 신호를 ‘트랜지스터’의 한편으로 받아들여, 다른 편으로 그것을 모방한 다량의 전류 형태를 내보내는 장치라고 생각할 수 있다. 증폭기로 쓰이는 ‘트랜지스터’는 전류의 형태로 전기적 신호를 받아들여 들어온 전류와 동일한 전기적 형태를 가지고 있고, 그보다 몇 십배되는 전류를 내보낸다.

장점

만일 ‘트랜지스터’가 진공관과 기본적으로 동일한 역할을 한다면, 그것에 신경을 쓸 이유가 무엇인가? 하고 어떤 사람은 생각할 것이다. 그것에 관심을 갖는 이유는 ‘트랜지스터’가 그의 선배인 진공관에 비해 장점들이 있기 때문이다.

첫째 장점 하나는 ‘트랜지스터’의 크기가 작다는 것이다. 같은 용량으로 친다면, 크기가 진공관의 약 100분의 1밖에 안된다. 바꾸어 말하면, 진공관이 사람의 엄지손가락 크기라면, ‘트랜지스터’는 팥알 크기의 정도가 된다. ‘트랜지스터’의 덕분에 온갖 전자 기계가 소형화하게 되었다.

이 전자 공업계의 총아의 또 다른 장점은, 이것은 진공관보다는 가동 전력이 훨씬 적게 든다는 것이다. 이것은 ‘트랜지스터’에 ‘필라멘트’ 즉 ‘히터’가 없기 때문이다. 진공관은 ‘필라멘트’라고 하는 ‘히터’(전기 화덕의 ‘버너’와 같은 것, 그러나 훨씬 작다)가 있어서 진공관 내의 전자를 사출하는 부분 즉 음극으로부터 전자를 “끓여” 내보내야 한다. ‘트랜지스터’에는 그러한 ‘히터’가 필요 없다. 그리고 ‘트랜지스터’는 열을 거의 발생하지 않기 때문에 뜨거워지지 않는다. 진공관이 뜨거워진다는 것은 그것이 ‘에너지’를 소모하기 때문이다.

또 다른 장점들로는, ‘트랜지스터’는 진공관과 달리 가열하는 시간이 없기 때문에 순간적으로 작용을 시작한다는 것이다. 진공관 속에는 가느다란 철사가 들어 있지만, ‘트랜지스터’에는 그런 것이 없기 때문에 진공관보다 수명이 길다. 그러므로 ‘트랜지스터’는 신뢰도가 높다. 어떤 사람들의 추산에 의하면, ‘트랜지스터’는 밤낮을 쉬지 않고 매일 사용해도 8년 내지 10년은 사용할 수 있을 것이라고 한다. 이 전자 공업계의 총아가 닳아질 이유는 거의 없다. 그러나 외부의 충격, 온도의 변화, 습기 등은 좋지 않은 영향을 준다.

‘트랜지스터’의 여러 가지 장점 때문에 가능하게 된 것들 중 한가지는 통신 위성이다. 1962년 7월 3일 ‘텔스타’ 통신 위성을 통하여 미국과 ‘유럽’ 간에 ‘텔레비’ 생방송이 행해졌다. ‘텔스타’는 미국의 지상 송신소에서 보낸 신호를 수신하여, 이를 증폭한 다음, 다른 곳의 원거리 지상 수신소에 송신한다. ‘트랜지스터’는 전력 소모가 대단히 적기 때문에 태양 전지의 힘으로도 충분히 가동된다. ‘텔스타’ 위성은 한개의 진공관과 1,064개의 ‘트랜지스터’와 기타 ‘솔리드 스테이트’ 부속을 사용하였다. ‘텔스타’ 이후에 발사된 다른 통신 위성들은 모두 ‘트랜지스터’를 사용하였다. 그러면, ‘트랜지스터’는 무엇으로 만드는가?

반도체로 만든다.

전기를 잘 통하는 물질을 도체라고 한다. 은, ‘알루미늄’, 구리 등은 도체이다. 그런데 어떤 물질이 전기를 잘 통하는 이유는 무엇인가? 그 물질 내에 자유 전자가 많이 있기 때문이다. “자유” 전자란 무엇인가? 그 물질을 구성하고 있는 원자 사이를 전자들이 이리 저리 쉽게 이동할 수 있다는 의미에서 이들 물질 내에 있는 전자는 자유롭다는 것이다.

전기를 잘 통하는 물질과는 달리 절연체라고 하는 물질도 있다. 그러한 물질은 자유 전자가 없다. 따라서 그러한 물질은 전기를 쉽게 통하지 않는다. 그러한 물질은 가정 기구에 누전을 방지하기 위해 사용한다. 그러므로 전기 ‘프라그’에 고무를 씌우거나 전기 ‘스위치’를 ‘플라스틱’으로 만든다.

세째 번으로 이상과는 다른 물질이 있는데, 이것은 반도체라고 하는 고체이다. 여기에 속하는 물질은 전기를 잘 통하지도 않으면서 또한 좋은 절연체도 아니다. 따라서 그러한 물질을 반도체라고 한다. ‘게르마늄’(독일 화학자가 발견하였기 때문에 독일[Germany] 이름을 따서 명명하였다)과 ‘실리콘’이 가장 널리 알려진 반도체이다.

그럼, 이 부류에 속한 물질은 도체로도, 절연체로도 적합하지 않은 이유는 무엇인가? 그것이 도체로서 절반 정도 성능 밖에 없다는 것은 그 안에 자유 전자가 부족하다는 뜻이다. 그리고 또한 ‘에너지’를 받으면 자유 전자를 내기 때문에 그것은 좋은 절연체도 못된다. 온도가 화씨 0도에서 화씨 약 350도로 상승하면 자유 전자가 약 100만배로 증가한다.

‘트랜지스터’는 순수한 결정형의 반도체로부터 시작되며, 이 물질은 액체 상태나 기체 상태가 아닌 고체 상태(solid state)이기 때문에, ‘트랜지스터’는 “솔리드 스테이트” 부속이라고 부른다.

불순물의 필요성

이상하게도 반도체가 순수한 상태 하에서는 일을 많이 하지 못한다. 그러나 적당량의 불순물을 첨가하게 되면 실로 많은 일을 할 수 있다.

그러나 불순물이 필요한 이유는 무엇인가? 약간의 어떤 불순물을 넣어 놓으면, 자유 전자를 내기도 하고, 자유 전자를 박탈하기도 하기 때문이다. 어떤 불순물은 자유 전자를 만들어내지 않고, 반도체의 원자로부터 전자를 빼앗아버린다. 그 결과는 어떻게 되는가? 하나의 원자에 전자 하나가 부족하게 된다. 이것을 “호울”(구멍)이라고 부른다. 그런데, 이 “호울”의 장점은 그것이 이 원자에서 저 원자에로 이동할 수 있다는 점이다. 그리고 이 “호울”들이 한 원자에서 다른 원자로 움직이면, 전류가 흐르게 된다. “호울”은 양전기의 운반자가 된다. 이것은 음전기를 띠고 있는 전자와는 반대이다.

자유 전자를 가진 반도체는 ‘n-타이프’(음전하 때문에)라고 한다. 그 물질이 “호울” 곧 전자 부족 상태를 가지고 있을 때에는 ‘p-타이프’(양전하 때문에)라고 한다.

예를 들어 보자. 아주 순수한 ‘실리콘’이나 ‘게르마늄’을 이용하여 거기에 비소를 첨가하면, 거의 자유전자라고 할 수 있는 전자가 많아진다. ‘게르마늄’은 외곽 전자가 네개 뿐인데 반하여 비소는 다섯개를 가지고 있기 때문에, 그 결과는 ‘n-타이프’ 물질이 되고 전자가 많아진다. 이러한 전자들은 대단히 용이하게 여기(勵起)되어 자유 전자가 된다.

그런데 반도체에 붕소나 ‘알루미늄’을 첨가하면 어떻게 되는가? 이들 두 원소는 외곽 전자가 세개 뿐이다. 그러므로 ‘게르마늄’에 비하여 전자가 부족하므로, “호울”이 생기게 된다. 그 결과 ‘p-타이프’ 물질이 된다.

재료를 겹쳐서 만든다

그리고 두 개의 ‘n-타이프’ 물질 사이에 ‘p-타이프’ 물질을 끼어서 ‘트랜지스터’를 만든다. 이것을 n-p-n ‘트랜지스터’라고 부른다. 또는 두 겹의 ‘p-타이프’ 물질 사이에 ‘n-타이프’ 물질을 한 겹 끼어서 된 ‘트랜지스터’도 있다. 이것은 p-n-p ‘트랜지스터’라고 한다.

이들 물질이 접촉하는 부분에서 증폭 작용이 일어난다. 그러한 접촉부분은 전기를 자유로이 흐르게도 할 수 있고 막을 수도 있는 ‘발브’라고도 할 수 있다. 어떤 방법으로 이 두 접촉점에 전압이 걸리느냐에 따라 통하든지 막히든지 한다.

극소화

‘트랜지스터’만 해도 진공관에 비하여 크기가 작고 전력이 적게 소모되지만, ‘트랜지스터’보다 더 작은 전기 부속이 개발되었다. 이러한 것을 집적회로(集積回路) 혹은 간단히 IC라고 한다.

새로 개발된 이 장치 안에서는 여러 개의 ‘트랜지스터’와 다른 회로상의 부품을 층층히 함께 묶어둔다. 이들 조그마한 장치는 회로 내의 한 부속(예를 들어 ‘트랜지스터’)이 아니라 전체 회로를 담고 있다. 집적 회로로 말미암아 제품의 극소화가 가능하게 되었다.

「월드 북」 회사에서 매년 발행하는 과학 연감(1968년)은 이렇게 말하였다. “오늘날의 IC는 사방 10분의 1‘인치’, 두께가 수 천분의 1‘인치’이다. 그것은 ‘트랜지스터’와 같이 열로 소실되는 전력이 거의 없으며, 따라서 냉각 장치가 별 필요 없다. ··· ‘브라운’관과 ‘스피커’를 제외하고 전체를 IC로만 만든다면, ‘텔레비’가 조그마한 성냥갑 안에 들어 갈 수 있을 것이다.”

전체 회로와, 한 회로 중의 개개의 부속품들과의 차이를 이해하기 위하여, 반 ‘갈론’짜리 우유통을 생각해 보자. 100개 정도의 부속으로 되어 있는 재래식 회로라면 그 안에 한개의 회로가 들어갈 수 있을 것이다. 그러나 집적 회로라면 그 안에 몇개나 들어갈 수 있겠는가? 약 10억개 들어간다.

그러므로 새로 개발된 이 회로는 실로 놀라운 것이다. 사람이 소형화하는 데 발전을 본 것은 전자 공학계의 총아인 이 ‘트랜지스터’의 덕분이다. 그러나 극소형화하는 그 기술 자체는 새로울 것이 없다. 인간의 창조주께서는 인간 두뇌를 극소형화하였다. 창조주께서는 그 조그마한 공간에 1,000억개의 부속을 집어 넣을 수 있게 만드셨으니 말이다.