인류 역사를 통틀어 농업 혁명, 산업 혁명 및 전기 발견과 같은 여러 기술 발전으로 인류 진보가 이루어졌습니다. DC 발전기, 전구, 전화, 콘크리트, AC 모터/발전기, 비행기, 기차, 자동차, X선 및 페니실린과 같은 발명품이 세상을 바꿨습니다.
이러한 발명품을 언급할 때 종종 한 가지가 간과되는데 그게 바로 트랜지스터입니다. 이 기사에서는 트랜지스터 역사를 살펴보고 현대 세계에서 트랜지스터 기술의 중요성을 강조합니다.
트랜지스터란 무엇입니까?
가장 간단한 형태로, 트랜지스터는 표준 조명 스위치처럼 작동하는 반도체 기반의 소형 스위치입니다. 트랜지스터는 전류 또는 전압 흐름을 미세한 수준으로 조절하거나 제어합니다. 최신 트랜지스터는 소스, 드레인 및 게이트와 같은 세 가지 전기 리드로 구성됩니다. 트랜지스터 게이트에 작은 전기 신호가 적용되면 드레인을 통해 더 큰 1차 전기 신호가 허용됩니다.
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 사용합니까?
트랜지스터는 거의 모든 최신 전자 장치에 사용됩니다. 트랜지스터는 집적 회로(IC), 마이크로칩, 마이크로프로세서, FPGA, 메모리 칩, 전기 스위치, 전력 공급 장치 등의 기반입니다. 거의 모든 최신 전자 장치는 수백만 개는 아니더라도 적어도 하나의 트랜지스터로 구성되어 있습니다.
예를 들어 표준 Apple iPhone 충전 어댑터는 단일 고주파 MOSFET 전환 트랜지스터와 단일 플라이백 변압기로 구성됩니다. 이 두 개의 변압기는 다른 많은 수동 구성품과 함께 작동하여 광범위한 '불량' 입력 AC 전원을 가져와서 iPhone 충전에 사용되는 잘 필터링된 '청정' DC 출력 전압으로 변환합니다.
현대의 개인 컴퓨터는 수십억 개의 트랜지스터로 구성되어 있습니다. 예를 들어, Dell XPS 15 노트북은 12세대 Intel® Core™ i9-12900HK를 핵심 중앙 처리장치(CPU)로 사용합니다. Intel은 더 이상 총 트랜지스터 수를 공개하지 않지만 Apple M1 Max CPU는 570억 개의 트랜지스터로 구성되어 있습니다. CPU와 GPU를 모두 활용하는 전문적인 그래픽 렌더링 컴퓨터에서 총 트랜지스터 수는 수천억 개를 초과할 수 있습니다.
트랜지스터의 간략한 역사
트랜지스터의 개념은 1907년에 발명된 열이온 진공관에 기반을 두고 있으며 주로 무선 기술, 텔레비전, 레이더 및 장거리 통신에 사용됩니다. 이 진공관 증폭기는 많은 에너지를 소비하고, 제조 비용이 많이 들고, 매우 크고 무거울 수 있으며, 깨지기 쉽습니다.
열이온 진공관은 입력 신호를 사용하여 전극 간의 전류를 제어합니다. 진공관에는 진공 상태에서 가열된 필라멘트가 필요하므로, 추가 에너지를 소비하고 치명적인 고장을 일으키기 쉽습니다.
반도체를 이용한 전계 효과 트랜지스터는 1925년 캐나다에서 물리학자 Julius Edgar Lilienfeld에 의해 처음 특허를 받았고, 그 후 1926년과 1928년 미국에서 특허를 받았습니다. 이 특허를 통해 반도체를 이용한 트랜지스터의 원리와 열이온 진공관에 대한 대체 솔루션으로서의 사용을 확인했지만, 트랜지스터 기술의 조상이라는 Lilienfeld의 명성은 여기서 끝이 났습니다. 1920년대에는 Lilienfeld의 개념을 구현하는 데 필요한 고품질 반도체 재료를 제조하는 기술이 아직 발명되지 않았습니다.
최초의 기능성 트랜지스터인 점 접촉 트랜지스터는 1947년 벨 연구소의 미국 물리학자 John Bardeen, Walter Brattain 및 William Shockley에 의해 발명되었습니다. 반도체 동작에 대한 이들의 기존 연구는 Lilienfeld의 연구에서 요약된 개념과 약간 관련이 있었지만, FETS(전계 효과 트랜지스터)를 구성하려는 시도가 실패하였고 이는 양극성 점 접촉 및 접합 트랜지스터의 발견과 발명으로 이어졌습니다. Shockley는 1948년 6월에 최초의 양극성 접합 트랜지스터 기술에 대한 미국 특허를 출원했습니다.
흥미롭게도, 파리의 Westinghouse 자회사에서 일하는 독일 물리학자 Herbert Matare와 Heinrich Welker는 1948년 초에 매우 유사한 주제를 연구하고 있었습니다. 그 후에 트랜지스터 연구에서 Shockley 팀과 경쟁하고 있다는 것을 깨닫자, 1948년 8월 13일 프랑스에서 첫 번째 트랜지스터 특허를 출원했습니다.
1950년대 초, 트랜지스터는 이미 무선 통신에 사용하기 위해 소규모로 생산되고 있었습니다. 1950년대 중반에는 몇 가지 획기적인 발명과 제품이 뒤따랐습니다.
- 벨 연구소는 1954년 1월 26일에 최초로 작동하는 실리콘 트랜지스터를 개발했습니다.
- Texas Instruments는 1954년 말에 최초의 상업용 실리콘 트랜지스터를 만들었습니다.
- 최초의 트랜지스터 라디오인 Regency TR-1은 1954년 10월에 출시되었습니다.
- 최초의 올 트랜지스터 차량 라디오가 Chrysler와 Philco에 의해 개발되었고 1955년 4월 28일에 공개되었습니다.
- 최초의 대량 생산 트랜지스터 라디오인 Sony TR-63은 1957년에 출시되었고 7백만 대가 판매되어 1950년대 말과 1960년대 초에 트랜지스터 라디오가 시장에 대량 판매되었습니다.
1960년대까지 트랜지스터 기술은 주요 기술력이었습니다. 진공관은 빠르게 구식이 되었습니다. 1965년에 Fairchild Semiconductor와 Intel의 설립자인 Gordon Moore는 마이크로칩의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가할 것이라고 예측했습니다. 무어의 법칙은 시간에 따른 트랜지스터 밀도의 선형 로그 관계를 정의합니다. 1970년에 IC에는 약 2,000개의 트랜지스터가 있었습니다. 2020년에 최첨단 IC는 10,000,000,000개를 훨씬 넘었습니다.
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전 세계에 영향을 끼치는 트랜지스터의 중요성
도입된 지 10년도 채 되지 않아, 트랜지스터는 현대 전자 공학과 연구소에 혁명을 일으켰습니다. 전 세계의 물리학자들은 트랜지스터 기술의 잠재력을 열심히 탐구했습니다.
벨 연구소의 William Shockley, John Bardeen 및 Walter Brattain은 1956년에 "반도체에 대한 연구와 트랜지스터 효과의 발견"으로 노벨 물리학상을 받았습니다. 이 상으로 엄청난 인정을 받았지만, 인류와 미래 기술에 미치는 영향은 이보다 훨씬 더 컸습니다.
트랜지스터는 지구상의 거의 모든 전자 장치, 전기 시스템 및 산업의 기초가 되었습니다. 2022년에는 전 세계 반도체 칩 산업 규모가 6,000억 달러를 돌파할 것으로 예상됩니다.
호주의 항공 관제사, 벨기에의 은행가, 캐나다의 자동차 딜러, 이집트의 교육자, 프랑스의 농부, 싱가포르의 증권 투자자, 베네수엘라의 비디오 게이머 등 일상생활에서 트랜지스터 기술을 활용합니다. 아마도 트랜지스터 발명은 20세기의 가장 중요한 발명일 것입니다. 트랜지스터가 없다면 인터넷, 휴대폰, 현대 의학, 현대 교통과 같은 흔한 근본적인 기술은 존재하지 않았을 것입니다.
