오늘 끝나면
트랜지스터: 작고 차가운 스위치
- ✓트랜지스터가 진공관과 같은 일을 하는 반도체 스위치이고, 안 달궈도 되는 점이 핵심임을 설명할 수 있다
- ✓소스·드레인·게이트 세 단자와, 게이트 전압이 채널을 ON/OFF 하는 원리를 말할 수 있다
- ✓트랜지스터가 진공관보다 작고 차갑고 오래가는 이유와, 그게 집적회로로 이어진 까닭을 댈 수 있다
실습 미션
오른쪽에서 게이트 전압을 문턱전압 아래로 내렸다 위로 올려 채널을 직접 끊고 켜 본다.
성공 조건
- □게이트 전압을 문턱(1.0V) 아래로 내려 채널을 완전히 막아본다
- □전압을 문턱 위로 올려 전자가 소스에서 드레인으로 흐르는 ON 상태를 확인한다
- □진공관 대비 크기·전력·수명·속도 막대로 트랜지스터의 우위를 읽어본다
벨연구소 1947 · 게이트 제어 · 반도체 스위치
트랜지스터: 작고 차가운 스위치
진공관과 똑같이 0과 1을 여닫지만, 달군 유리관이 아니라 작은 반도체 조각으로 한다. 작고 차갑고 안 타고 오래간다. 컴퓨터의 재료가 관에서 반도체로 갈리는 순간이다.
진공관을 대체한 반도체 스위치
1947년 12월, 벨연구소의 바딘·브래튼·쇼클리가 게르마늄 조각에 금박 접점을 대고 전류를 키웠다. 점접촉 트랜지스터의 탄생이다.
진공관이 하던 일(스위치·증폭)을 똑같이 한다. 다른 점은 딱 하나, 달군 유리관이 아니라 작은 반도체 덩어리로 한다는 것이다.
진공관은 전자를 뽑으려 음극을 늘 달궈야 했다. 트랜지스터는 안 달궈도 된다. 반도체 안에서 전자가 그냥 흐른다.
이 한 끗 차이로 컴퓨터의 재료가 관(tube)에서 반도체로 넘어갔다. 세 사람은 이 공로로 1956년 노벨물리학상을 받았다.
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 셋이다. 소스 · 드레인 · 게이트.
전류는 소스에서 드레인으로 흐른다. 그 둘을 잇는 길목이 채널이다.
게이트는 그 채널 위에 얇은 절연막을 두고 얹힌 전극이다. 채널에 직접 닿지 않고 전기장으로만 영향을 준다.
수도꼭지에 비유하면 소스는 수원, 드레인은 배수구, 게이트는 손잡이다. 손잡이는 물에 안 닿고도 물길을 여닫는다.
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 끌어모은다.
전자가 충분히 모여 길이 이어지면 소스에서 드레인으로 전류가 흐른다. ON이다.
전압이 낮아 전자가 안 모이면 길이 끊겨 전류가 막힌다. OFF다.
이 켜짐이 시작되는 경계가 문턱전압이다. 전압 하나가 문턱을 넘느냐 마느냐로 0과 1이 갈린다.
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 탔다. 트랜지스터는 다 반대다. 작고, 차갑고, 끊어질 필라멘트가 없어 오래간다.
진공관 하나가 엄지만 할 때 트랜지스터는 수 µm까지 줄었고, 지금은 나노미터 단위다. 백만 배 넘게 작아졌다.
작으니 전력도 거의 안 먹고 신호가 짧게 오가서 더 빠르다. 발열도 적어 한데 욱여넣어도 안 녹는다.
그래서 같은 방을 채우던 1만 8천 개 진공관이 손톱만 한 칩 위 수십억 개 트랜지스터로 바뀌었다. 집적회로로 가는 문이 여기서 열린다.
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, 소스에서 드레인으로 흐르는 전류를 직접 끊고 켜 보면 된다.
문턱전압 위로 올리면 채널이 열려 전자가 흐르고(ON), 아래로 내리면 길이 끊겨 막힌다(OFF).
같이 뜨는 막대로 진공관 대비 크기·전력·수명·속도가 얼마나 유리한지 한눈에 비교된다.
전압 하나로 0과 1이 갈리는 것을, 외우지 말고 슬라이더로 만져 확인하면 된다.
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.