오늘 끝나면
트랜지스터: 작고 차가운 스위치
- ✓트랜지스터가 진공관과 같은 일을 하는 반도체 스위치이고, 안 달궈도 되는 점이 핵심임을 설명할 수 있음
- ✓소스·드레인·게이트 세 단자와, 게이트 전압이 채널을 ON/OFF 하는 원리를 말할 수 있음
- ✓트랜지스터가 진공관보다 작고 차갑고 오래가는 이유와, 그게 집적회로로 이어진 까닭을 댈 수 있음
실습 미션
오른쪽에서 게이트 전압을 문턱전압 아래로 내렸다 위로 올려 채널을 직접 끊고 켜 보셈.
성공 조건
- □게이트 전압을 문턱(1.0V) 아래로 내려 채널을 완전히 막아봄
- □전압을 문턱 위로 올려 전자가 소스→드레인으로 흐르는 ON 상태를 확인함
- □진공관 대비 크기·전력·수명·속도 막대로 트랜지스터의 우위를 읽어봄
벨연구소 1947 · 게이트 제어 · 반도체 스위치
트랜지스터: 작고 차가운 스위치
진공관과 똑같이 0과 1을 여닫지만, 달군 유리관이 아니라 작은 반도체 조각으로 함. 작고 차갑고 안 타고 오래감. 컴퓨터의 재료가 관에서 반도체로 갈리는 순간임.
진공관을 대체한 반도체 스위치
1947년 12월, 벨연구소의 바딘·브래튼·쇼클리가 게르마늄 조각에 금박 접점을 대고 전류를 키워 봄. 점접촉 트랜지스터의 탄생임.
진공관이 하던 일(스위치·증폭)을 똑같이 함. 다른 점은 딱 하나, 달군 유리관이 아니라 작은 반도체 덩어리로 한다는 것.
진공관은 전자를 뽑으려 음극을 늘 달궈야 했음. 트랜지스터는 안 달궈도 됨 — 반도체 안에서 전자가 그냥 흐름.
이 한 끗 차이로 컴퓨터의 재료가 관(tube)에서 반도체로 넘어감. 셋은 이 공로로 1956년 노벨물리학상을 받음.
진공관은 전자를 뽑으려 음극을 늘 달궈야 했음. 그래서 뜨겁고 잘 탔음. 트랜지스터 버튼을 눌러 같은 일을 차갑게 하는 걸 봐 보셈.
단자가 셋 — 소스·드레인·게이트
오늘 쓰는 트랜지스터(MOSFET)는 단자가 셋임. 소스 · 드레인 · 게이트.
전류는 소스에서 드레인으로 흐름. 그 둘을 잇는 길목이 채널임.
게이트는 그 채널 위에 얇은 절연막을 두고 얹힌 전극임. 채널에 직접 닿지 않고 전기장으로만 영향을 줌.
수도꼭지에 비유하면 소스=수원, 드레인=배수구, 게이트=손잡이임. 손잡이는 물에 안 닿고도 물길을 여닫음.
전류는 소스→드레인으로 흐르고, 그 길목이 채널임. 게이트는 얇은 절연막 위에 얹혀 채널에 직접 안 닿고도 전기장으로만 물길을 여닫음.
게이트 전압이 채널을 여닫는다
게이트에 전압을 걸면 절연막 아래에 전기장이 생기고, 그 힘이 채널로 전자를 끌어모음.
전자가 충분히 모여 길이 이어지면 소스→드레인으로 전류가 흐름 — ON.
전압이 낮아 전자가 안 모이면 길이 끊겨 전류가 막힘 — OFF.
이 켜짐이 시작되는 경계가 문턱전압임. 전압 하나가 문턱을 넘느냐 마느냐로 0과 1이 갈림.
아직 문턱 1.0V 아래라 전자가 듬성 — 길이 안 이어져 막힘 (OFF · 0). 더 올려 보셈.
작아서 수십억 개를 한 칩에
진공관은 크고 뜨겁고 잘 탔음. 트랜지스터는 다 반대임 — 작고, 차갑고, 끊어질 필라멘트가 없어 오래감.
진공관 하나가 엄지만 할 때 트랜지스터는 수 µm까지 줄었고, 지금은 나노미터 단위임. 백만 배 넘게 작아짐.
작으니 전력도 거의 안 먹고 신호가 짧게 오가서 더 빠름. 발열도 적어 한데 욱여넣어도 안 녹음.
그래서 같은 방을 채우던 1만 8천 개 진공관이, 손톱만 한 칩 위 수십억 개 트랜지스터로 바뀜. 집적회로로 가는 문이 여기서 열림.
진공관은 크고 뜨거워 방 하나에 1.8만 개(ENIAC)가 한계였음. 작아질수록 같은 면적에 더 많이 — 슬라이더를 끝까지 밀어 보셈.
직접 트랜지스터 스위치를 여닫아 보기
오른쪽에서 게이트 전압을 문턱 아래로 내렸다 위로 올려, 소스→드레인 전류를 직접 끊고 켜 보면 됨.
문턱전압 위로 올리면 채널이 열려 전자가 흐르고(ON), 아래로 내리면 길이 끊겨 막힘(OFF).
같이 뜨는 막대로 진공관 대비 크기·전력·수명·속도가 얼마나 유리한지 한눈에 비교됨.
전압 하나로 0과 1이 갈리는 걸, 외우지 말고 슬라이더로 만져 확인할 것.
문턱전압은 1.0V. 이걸 넘으면 채널이 열려 전류가 흐름. 안 넘으면 막힘. 전압 하나로 켜고 끔.
게이트가 문턱 아래라 채널이 막힘. 전류 끊김 = 0. 전압을 올려 켜 보셈.
하는 일은 진공관과 같은 스위치임. 근데 작고 차갑고 안 타고 빠름. 그래서 컴퓨터의 재료가 관에서 반도체로 넘어감.