우연한 발견에서 트랜지스터까지
1833년 마이클 패러데이는 황화은이 온도가 오를수록 전기를 더 잘 통한다는, 금속과 정반대의 성질을 기록했어요. 1874년 독일의 카를 페르디난트 브라운은 일부 금속 황화물이 한쪽 방향으로만 전류를 흘린다는 '정류 현상'을 발견했고, 이는 초기 라디오의 광석 검파기로 쓰였어요. 왜 그런지는 양자역학이 나오고서야 설명됐어요. 1931년 앨런 윌슨이 띠 이론으로 반도체를 설명했고, 1947년 12월 벨 연구소의 존 바딘과 월터 브래튼이 저마늄으로 첫 트랜지스터를 만들었어요. 이듬해 윌리엄 쇼클리가 접합형 트랜지스터 이론을 내놓았고, 세 사람은 1956년 노벨 물리학상을 받았어요. 1958~59년 잭 킬비와 로버트 노이스가 집적회로를, 1959년 한국 출신의 강대원(다원 강)이 모하메드 아탈라와 함께 오늘날 칩의 기본 소자인 MOSFET을 만들었어요.
띠틈과 도핑
물질 속 전자가 전기를 나르려면 '전도띠'로 올라가야 하는데, 그 사이의 에너지 간격을 띠틈이라고 해요. 금속은 띠틈이 없고, 부도체는 너무 넓으며, 반도체는 적당히 좁아서 열이나 빛을 받으면 일부 전자가 넘어가요. 실리콘에 인을 조금 넣으면 전자가 남는 n형, 붕소를 넣으면 전자 빈자리(정공)가 생기는 p형이 돼요. 두 가지를 붙인 p-n 접합은 전류를 한 방향으로만 흘리는 다이오드가 되고, 빛을 받으면 전기를 만드는 태양전지(1954년 벨 연구소), 거꾸로 전기로 빛을 내는 LED와 반도체 레이저가 돼요. 1990년대 나카무라 슈지 등이 만든 청색 LED는 흰색 LED 조명을 가능하게 해 2014년 노벨상을 받았어요.
| 구분 | 전기 전도 | 예 |
|---|---|---|
| 도체 | 매우 잘 통함 | 구리, 은, 알루미늄 |
| 반도체 | 조건에 따라 조절됨 | 실리콘, 저마늄, 갈륨비소 |
| 부도체(절연체) | 거의 통하지 않음 | 유리, 고무, 다이아몬드 |
무어의 법칙과 반도체 산업
1965년 고든 무어는 칩 하나에 들어가는 부품 수가 해마다 두 배로 늘 것이라 예측했고(1975년 2년으로 수정), 이 '무어의 법칙'은 반세기 동안 업계의 목표가 됐어요. 오늘날 최첨단 칩에는 손톱만 한 면적에 수백억 개의 트랜지스터가 들어가요. 반도체는 정보를 저장하는 메모리(D램, 낸드플래시)와 연산·제어를 하는 시스템 반도체(CPU, GPU, 이미지센서)로 나뉘어요. 한국은 1983년 삼성의 64Kb D램 개발 이후 메모리 강국이 됐고, 대만의 TSMC는 설계 없이 생산만 하는 파운드리 모델을 열었어요. 회로가 몇 나노미터 수준으로 작아지면서 극자외선(EUV) 노광 장비 같은 장치와 희귀 소재의 공급망이 국가 전략 문제가 됐고, 폐전자제품에서 금속을 되찾는 도시광산도 주목받아요.
자주 묻는 질문
- 왜 반도체 재료로 실리콘을 가장 많이 쓰나요?
- 실리콘은 모래에서 얻을 수 있을 만큼 흔하고, 띠틈이 적당하며, 표면에 품질 좋은 산화막(SiO₂)을 쉽게 만들 수 있어 MOSFET 제조에 유리하기 때문이에요.
- 무어의 법칙은 끝났나요?
- 트랜지스터를 더 작게 만드는 속도는 2010년대 이후 크게 느려졌어요. 대신 칩을 쌓는 3D 구조, 여러 칩을 묶는 패키징, 새 소재 등으로 성능 향상을 이어 가고 있어요.
출처 검토일: 2026-10-26
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참고문헌
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- Bardeen, J., & Brattain, W. H. (1948). The transistor, a semi-conductor triode. Physical Review, 74(2), 230–231.
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