이석원 기자
전기 신호를 증폭하거나 전기 신호에 의해 전류 온오프를 제어하기 위한 소자가 트랜지스터다. 트랜지스터는 논리 회로를 조립하는데 필요한 부품으로 오늘날 컴퓨터 진화는 트랜지스터 진보와 함께 했다고 해도 과언이 아니다. 이런 트랜지스터는 어떤 구조를 갖추고 있을까.
트랜지스터는 종종 수도로 설명된다. 트랜지스터를 흐르는 베이스 전류가 파이프(Pipe)를 흐르는 물이다. 이 파이프 물 흐름은 마개(Disc)에 의해 막혀 있다. 이런 마개는 파이프 옆에 흐르는 얇은 튜브에 있는 스윙 게이트(Swing Gate)와 연동하고 있다.
얇은 튜브에 소량 물이 흐르면 스윙 게이트가 열리고 연동해 파이프 마개가 열린다. 다시 말해 얇은 관에 물을 흘리면 파이프 물도 흐른다는 구조다. 베이즈 전류에 의해 다른 부분에 흐르는 전류를 제어하고 있다는 것이다. 물론 실제 트랜지스터에 물이 흐르는 건 아니다. 트랜지스터에 사용되는 건 반도체라고 불리는 물질이다. 세상에 있는 물질 중 전기를 통과하기 쉬운 걸 도체, 전기를 통과하기 어려운 걸 절연체라고 한다. 그리고 이 중간에 위치하는 게 반도체다.
반도체가 뭔이 이해하려면 원자 구조를 이해해야 한다. 원자핵(Nucleus). 전자(Electrons), 전자 껍질(Orbital Shells) 등이 있고 가장 바깥쪽에 최외각(Valence shells), 주위에는 전도대(Conduction Band)가 있다. 전도대는 최외각 외측에 있는 에너지대로 이 전도대에서 전자는 비교적 자유롭게 행동할 수 있다. 절연체(Insulator)는 최외각 전자가 전도대에 가기 어렵기 때문에 전기가 흐르기 어려운 성질을 가진다. 반대로 금속 등 도체는 최외각 전자가 전도대까지 용이하게 흐르기 때문에 전기가 흐르기 쉽다는 것이다. 그리도 반도체는 열이나 전기가 가해지면 전기 통과 용이성이 바뀐다는 성질을 갖고 있다.
트랜지스터에 사용되는 반도체는 규소에 인이나 붕소 등 불순물을 주입한 불순물 반도체로 N형 반도체와 P형 반도체 2종류가 있다. 규소(Si) 최외각에 있는 전자 4개는 다른 원자 반응에 사용되는 가전자이며 말하자면 원가 1개가 전가 4개를 갖고 있는 상태다. 그리고 자신의 전자 1개와 다른 원자의 전자 1개를 조합한 전자쌍 1개를 공유하는 공유 결합에 의해 규소 원자 1개에 규소 원자 4개가 결합한다.
그리고 도핑이라고 불리는 작업으로 이런 규소 구조에 인(P)을 주입하는 게 N형 반도체다. 인은 가전자를 5개 갖고 있어 가전자 4개를 규소 구조 안에 넣으면 전자가 남아 버린다. 반대로 알루미늄(Al)이나 붕소 등 가전자를 3개 밖에 갖지 않는 원자를 규소 구조에 주입하는 게 P형 반도체다. P형 반도체에선 N형 반도체와는 반대로 아무래도 전자가 부족해져 버린다.
이런 N형 반도체와 P형 반도체를 접합하면 접합 면에서 전자 교환이 이뤄진다. 다만 어디까지나 접한 면에서 전자가 움직이는 것만으로 반도체 전체에서 전자가 이동하지 않는다. 하지만 이 반도체 2개에 일정 이상 전압을 인가하면 전자가 이동한다.
트랜지스터는 이런 N형 반도체와 P형 반도체를 조합한 구조로 이뤄져 있으며 NPN형과 PNP형 2종류가 존재한다. 트랜지스터에는 이미터 베이스 컬렉터라는 3종류 극이 존재한다. NPN형은 한쪽 N형 반도체에 이미터, 중앙 P형 반도체에 베이스, 다른 한쪽 N형 반도체에 컬렉터가 연결되어 있다. 이미터와 베이스에 작은 전류를 흘리면 이미티 측 N형 반도체와 P형 반도체 사이에서 전자 이동이 시작된다.
이미터와 컬렉터를 연결하면 전류가 흐른다. 이미터와 베이스에 작은 전류가 흐르면 이미터와 컬렉터 사이에 큰 전류 변화가 생기므로 트랜지스터는 입력된 신호를 증폭하거나 전류를 켜고 끌 수 있다. 이런 전류 온오프로 2진수 0과 1을 표현할 수 있기 때문에 트랜지스터는 컴퓨터 논리 회로를 구성하기 위해 중요한 부품이라고 할 수 있다.
정용환 기자
