[반도체 쉽게 알기 #4] 반도체는 어떻게 발전되어 왔을까요?

지난 시간, 진성반도체와 외인성반도체의 특징에 대해서 알아보았습니다. 특정 불순물 주입으로 전류가 흐르는 반도체의 신비한 성질을 배웠는데요~ (기억이 안 난다면 Click!)

오늘은, 반도체 쉽게 알기 4탄으로 ‘반도체의 발전과정’에 대해 함께 알아보겠습니다. 어느새, 우리 생활의 일부분이 되어버린 반도체 IC는 어떻게 발전해 왔을까요?

반도체는 왜 사용하게 되었을까?

전자제품을 뜯어보면, 위의 사진처럼 검고 네모지게 생긴 것이 하나 이상 들어있습니다. 보통 이것을 ‘반도체 집적회로 <IC(Integrated Circuit)>’ 라고 하는데요, 수천 수만 개의 트랜지스터, 저항, 캐패시터가 집적되어 기계를 제어하거나 정보를 기억하는 일을 수행합니다.

그렇다면 반도체는 왜 사용하게 되었을까요?

이는 통신기술과 계산능력의 발달에 밀접한 관련이 있습니다. 통신기술은 “멀리 떨어져 있는 사람끼리 대화를 주고 받을 수 없을까?” 라는 초기 발상이 동기가 되어 발전되었다고 하는데요. 이러한 발전과정에서 전기신호를 사용하게 되었습니다.

하지만, 장거리를 이동하는 도중에 전기신호가 약해지는 현상이 나타났고 목적지에 도달하는 중간 중간, 이를 증폭시켜주는 역할이 필요했습니다. 바로, 이 증폭기능을 위해 최초로 개발된 것이 ‘진공관’ 입니다.

최초의 진공관은 영국의 과학자 존앰브로우즈 프레밍(John Ambrose Fleming)이 발명한 2극관 이었습니다. 그러나, 초기 진공관은 부피가 컸고 전자빔 발생을 위해 사용하는 필라멘트도 일정 시간이 지나면 타서 끊어져 버리는 단점이 있었습니다. 이러한 단점을 극복하지 않고서는, 진공관으로 작은 전자장치를 만든다는 것은 사실상 불가능했습니다.

따라서, 열을 받지 않도록 고체로 만들어진 새로운 증폭장치의 개발이 절실하게 필요했던 것인데요.

새로운 증폭장치의 탄생, 다이오드와 트랜지스터

불가능한 것은 없었습니다. 1948년 드디어, 벨 전화연구소의 “윌리엄 쇼클리, 죤 바딘, 월터 브래튼” 과학자 3명은 향후 전자공학분야에 결정적인 영향을 미친 두 가지! “반도체로 된 다이오드와 트랜지스터” 를 발명하게 됩니다.

자그마한 반도체가 필라멘트와 전극을 대신하게 된 것입니다. 작으면서도 매우 신뢰성이 높은, 새로운 고체 증폭장치가 탄생된 것인데요.

과학기술의 발전은 “얼마나 빠르고 정확하게 계산 할 수 있느냐”는 계산능력에 비례해 왔습니다. 이러한 계산 능력의 발전이 계산기를 발명해 냈고, 1930년대에 와서는 기계/전기 스위치를 쓰는 정도로 발전하게 됩니다.

제2차 세계대전은 더 빠르고 용량이 더 큰 계산기의 개발에 박차를 가했습니다. 그 결과, 1946년 미국의 펜실베니아대학에서 세계 최초의 전자계산기 ENIAC을 개발 하게 되는데요, 하지만, 이 시스템은 19000개 진공관의 소요로 50톤의 무게와 280㎡의 큰 면적을 차지하면서, 엄청난 열을 발생하였고, 가격만해도 1940년대 시가 백만 달러를 호가 했습니다.

이러한 진공관의 단점을 개선하기 위한 노력은 결국, 향후 트랜지스터의 발명으로 이어지게 되는데요, ENIAC과 같은 거대 장치도 2.42㎠의 작은 실리콘 위에 만들 수 있게 되었고, 전구보다 적은 전력손실과 20달러 이하의 가격으로 실현 시킬 수 있게 되는 ‘놀라운 기적’이 탄생하게 됩니다.

트랜지스터로 인해 전자제품의 크기는 점점 작아지게 되었으며, 보다 정확하고 다양한 기능을 실현시킬 수 있게 되었습니다.

그러나 트랜지스터도 단점은 있었습니다. 수 많은 트랜지스터와 전자부품을 서로 연결해야만 다양한 기능을 가진 하나의 제품을 만들 수 있는데요, 제품이 점점 복잡해 질수록 연결해 주어야 하는 부분이 기하급수적으로 증가하게 되고, 이런 연결점들이 제품을 고장 내는 주요 원인이 되었던 것입니다.

여러 전자부품들을 한 개의 반도체 속으로, IC(Integrated Circuit)

이 때, 여러 개의 전자부품들(트랜지스터, 저항, 캐패시터)을 한 개의 작은 반도체 속에 집어 넣는 방법을 연구한 사람이 있었습니다. 바로 1958년 미국 TI社의 기술자, 잭 킬비(Jack Kilby)에 의해 발명된 것인데요, 이 것을 집적회로(IC)라고 불리게 되었으며 기술이 발전함에 따라 하나의 반도체에 들어가는 회로의 집적도도 SSI(Small scale Integration), MSI(Medium Scale), LSI(Large Scale), VLSI(Very Larger), ULSI(Ultra Large Scale)로 점점 발전 하였습니다.

※ IC (Integrated Circuit)
트랜지스터나 다이오드 등 개개의 반도체를 하나씩 따로 사용하지 않고, 몇천 개 몇만 개로 모아서 한 개로 된 덩어리를 말합니다. 실리콘의 평면상에 차곡차곡 필름을 인화한 것처럼 쌓아 놓은 것인데요, 이것을 ‘모아서 쌓는다’ 즉, 집적한다고 한다고 하여 IC라는 이름이 붙게 된 것입니다.

다음 시간에는 반도체가 어떤 일을 수행하는지 알아보도록 하겠습니다.

기대해 주세요!

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