트랜지스터 혁명: 트랜지스터가 세계를 어떻게 변화시켰는가

인류 역사 전반에 걸쳐 여러 기술적 이정표가 인간의 진보를 재정의했습니다: 농업 혁명, 산업 혁명, 전기의 발견. 몇몇 발명품들은 세상을 변화시켰습니다: DC 전기 발전기, 전구, 전화, 콘크리트, AC 모터/발전기, 비행기, 기차, 자동차, X선, 페니실린.

이러한 목록이 작성될 때, 종종 간과되는 발명이 하나 있습니다: 트랜지스터의 발명. 이 글에서는 트랜지스터의 역사를 살펴보고 현대 세계에서 트랜지스터 기술의 중요성을 강조합니다.

트랜지스터란 무엇입니까?

가장 단순한 형태로, 트랜지스터는 표준 전등 스위치처럼 작동하는 작은 반도체 기반의 스위치입니다. 트랜지스터는 미세 수준에서 전류나 전압 흐름을 조절하거나 제어합니다. 현대의 트랜지스터는 소스, 드레인, 게이트의 세 가지 전기 리드로 구성되어 있습니다. 트랜지스터의 게이트에 작은 전기 신호가 적용되면, 더 큰 기본 전기 신호가 드레인을 통해 통과할 수 있게 됩니다.

다양한 최신 구성을 통해 리드에 서로 다른 1차 및 2차 전압을 적용할 수 있으며, 이는 종종 사용되는 반도체 재료의 기능입니다. 예를 들어, 표준 실리콘 기반의 MOSFETS(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)는 5V 게이트 전압과 200V의 드레인-소스 전압에서 1,000mm*Rds(on)가 필요한 반면, 질화 갈륨 반도체는 동일한 전압(16배 감소)에서 60mm*Rds(on)만 필요합니다.

트랜지스터는 어떻게 사용되나요?

트랜지스터는 거의 모든 현대 전자 기기에 사용됩니다. 트랜지스터는 집적 회로(IC), 마이크로칩,마이크로프로세서, FPGA, 메모리 칩, 전자 스위치, 전원 공급 장치 등 다양한 기기의 기초가 됩니다. 그 결과, 거의 모든 현대 전자 기기에는 최소 하나 이상의 트랜지스터가 포함되어 있으며, 수백만 개일 수도 있습니다.

예를 들어, 표준 Apple iPhone 충전 어댑터는 하나의 고주파 MOSFET 스위칭 트랜지스터와 하나의 플라이백 변압기로 구성됩니다. 이 두 변압기는 여러 다른 수동 부품들과 함께 작동하여 다양한 범위의 '더러운' 입력 AC 전원을 '깨끗하고' 잘 필터링된 DC 출력 전압으로 변환하여 iPhone을 충전하는 데 사용됩니다.

현대의 개인용 컴퓨터는 수십억 개의 트랜지스터로 구성되어 있습니다. 예를 들어, Dell XPS 15 Laptop은 주 중앙 처리 장치(CPU)로 12ᵗʰ Gen Intel® Core™ i9-12900HK를 사용합니다. Intel은 더 이상 총 트랜지스터 수를 공개하지 않지만, Apple M1 Max CPU는 570억 개의 트랜지스터로 구성되어 있습니다. CPU와 GPU를 모두 사용하는 전문 그래픽 렌더링 컴퓨터에서는 총 트랜지스터 수가 수천억 개를 초과할 수 있습니다.

트랜지스터의 간단한 역사

트랜지스터의 개념적 기초는 1907년에 발명되어 주로 라디오 기술, 텔레비전, 레이더 및 장거리 통신에 사용된 열전자 진공관에 뿌리를 두고 있습니다. 이러한 진공관 증폭기는 많은 에너지를 소비하며 제조 비용이 매우 비쌌고, 크고 무겁고 매우 취약할 수 있었습니다.
 
열전자 진공관은 입력 신호를 사용하여 전극 간 전류 흐름을 제어합니다. 이 튜브는 진공 상태에서 가열된 필라멘트를 필요로 하여 추가 에너지를 소모하고 파괴적인 고장에 취약하게 만듭니다.
 
고체 상태 전계 효과 트랜지스터는 물리학자 Julius Edgar Lilienfeld가 1925년 캐나다에서 처음으로 특허를 받았고, 이후 1926년과 1928년에 미국에서 특허를 받았습니다. 이러한 특허는 고체 상태 트랜지스터의 원리와 열전자 진공관에 대한 대체 솔루션으로서의 사용을 식별했지만, Lilienfeld가 트랜지스터 기술의 할아버지로 인정받은 것은 거기에서 끝났습니다. 1920년대에는 Lilienfeld의 개념을 구현하기 위해 필요한 고품질 반도체 재료를 제조할 수 있는 능력이 아직 발명되지 않았습니다.
 
최초의 기능성 트랜지스터인 점 접촉 트랜지스터는 미국 물리학자 John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley가 Bell Labs에서 1947년에 발명했습니다. 그들의 반도체 동작에 대한 원래의 연구는 Lilienfeld의 작업에 명시된 개념과는 관계가 없었지만, 그들의 전계 효과 트랜지스터 (FETS) 제조 시도가 실패하자, 이들은 양극성 점 접촉 및 접합 트랜지스터의 발견과 발명에 이르게 되었습니다. Shockley는 1948년 6월에 첫 양극성 접합 트랜지스터 기술에 대한 미국 특허를 출원했습니다.
 
흥미롭게도, 독일 물리학자 Herbert Matare와 Heinrich Welker는 파리의 Westinghouse 자회사에서 1948년 초에 매우 유사한 주제를 연구하고 있었습니다. 그들은 그 후 발견을 통해 Shockley 팀과 트랜지스터 연구 경쟁을 하고 있다는 것을 깨달았고, 1948년 8월 13일 프랑스에서 그들의 첫 번째 트랜지스터 특허를 출원했습니다.
 
1950년대 초까지 트랜지스터는 이미 라디오 통신에 사용하기 위해 소규모로 생산되고 있었습니다. 1950년대 중반 동안 몇 가지 주요 발견과 제품이 뒤따랐습니다:

• Bell Labs는 1954년 1월 26일 최초의 작동 실리콘 트랜지스터를 개발했습니다.
• Texas Instruments는 1954년 말에 최초의 상업용 실리콘 트랜지스터를 제작했습니다.
• 최초의 트랜지스터 라디오인 Regency TR-1은 1954년 10월에 출시되었습니다.
• 최초의 생산형 전체 트랜지스터 자동차 라디오는 Chrysler 및 Philco에 의해 개발되어 1955년 4월 28일에 공개되었습니다.
• 대량 생산된 최초의 트랜지스터 라디오인 Sony TR-63는 1957년에 출시되었으며, 700만 대가 판매되어 1950년대 후반과 1960년대 초반에 트랜지스터 라디오의 대중 시장 채택을 이끌었습니다.

트랜지스터의 세계적 중요성

트랜지스터는 탄생 후 불과 십 년도 채 지나지 않아 현대 전자공학과 연구 기관에 혁신을 가져왔습니다. 전 세계의 물리학자들이 트랜지스터 기술의 잠재력을 분주히 발굴했습니다.
 
Bell Labs의 William Shockley, John Bardeen, 그리고 Walter Brattain은 1956년 "반도체와 트랜지스터 효과 발견에 대한 연구"로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이 상은 엄청난 인정을 받지만, 인류와 미래 기술에 미친 영향은 훨씬 더 큽니다.
 
트랜지스터는 전 세계 거의 모든 전자 기기, 전기 시스템, 산업의 기초가 되었습니다. 2022년에는 글로벌 반도체 칩 산업이 6000억 달러를 초과할 것으로 예상됩니다.
 
호주의 항공 교통 통제사이든, 벨기에의 은행가든, 캐나다의 자동차 딜러든, 이집트의 교육자든, 프랑스의 농부든, 싱가포르의 증권 투자자든, 베네수엘라의 비디오 게임 플레이어든, 일상 생활에서 트랜지스터 기술을 활용합니다. 트랜지스터 발명은 20세기의 가장 중요한 발명일 수 있습니다. 트랜지스터가 없었다면 인터넷, 휴대폰, 현대 의학, 현대 운송과 같은 일상적인 기본 기술은 존재하지 않았을지도 모릅니다.