전자 혁명 의 시초 ' 트랜지스터 ' 알아보 기 ! | 삼성 디스플레이 뉴스룸 
 2020 . 07 . 06 주소 복사 
 세 발 달린 미니 마법사 , ‘ 트랜지스터 ’ 
 회로 를 구성 하 는 주요 부품 들 은 모두 ‘ 다리 ’ 를 가지 고 있 다 . 회로 에 흐르 는 전기 를 받 는 부분 과 내보내 는 부분 이 있 기 때문 에 기본 적 으로 두 개 의 다리 를 가진다 . 대표 적 으로 ‘ 저항 ’ 과 ‘ 축전기 ’ 는 다리 가 두 개 씩 있 는데 저항 의 다리 는 양쪽 으로 뻗 어 있 고 , 축전기 는 같 은 방향 으로 두 개 의 다리 를 뻗 고 있 다 . 오늘 다룰 트랜지스터 는 이 와 달리 세 개 의 다리 를 가지 고 있 어 다른 부품 과 구별 이 매우 쉽 다 . 
 트랜지스터 는 미국 벨 연구소 에서 근무 하 던 쇼클리 , 바딘 , 브래튼 이 1948 년 발명 한 것 으로 전기 전자회로 에서 없 어서 는 안 될 매우 중요 한 부품 이 다 . 트랜지스터 를 발명 한 당시 에 는 이 부품 에 특별히 정해진 이름 이 없 었 는데 벨 연구소 내 에서 이름 공모 를 위한 투표 를 실시 해 6 개 의 이름 후보 중 압도 적 선호 로 선정 됐 다 . 트랜지스터 ( Transistor ) 는 전송 하 다는 뜻 의 Transfer , 저항 소자 라는 뜻 의 Varistor 의 합성어 로 , 전기 전도 성 을 가지 면서 동시 에 저항 의 역할 도 한다는 의미 에서 그 특징 을 가장 잘 표현 하 는 이름 이 었 기 때문 에 연구원 들 에게 매력 적 으로 보였 던 것 같 다 . 
 ▲ 세계 최초 의 진공관 컴퓨터 ‘ 에니악 ( ENIAC ) ’ ( 출처 : 위키피디아 ) 
 트랜지스터 발명 이전 의 전자 기기 는 어떤 모습 이 었 을까 ? 현재 우리 가 사용 하 고 있 는 컴퓨터 의 첫 번 째 조상 님 은 1946 년 에 개발 된 ‘ 에니악 ( ENIAC ) ’ 이 다 . 에니악 은 1 만 8 천 개 가 넘 는 진공관 을 사용 해 작동 됐 다 . 진공관 은 부피 가 큰 부품 이 었 기 때문 에 에니악 의 크기 는 길 이 25 미터 , 폭 1 미터 , 높이 2 . 5 미터 였으며 , 무게 만 무려 30 톤 에 달했 다 . 컴퓨터 한 대 가 일반 승용차 30 대 정도 의 무게 에 해당 했으니 컴퓨터 의 조상 님 은 어마어마 한 거인 의 외모 를 가지 고 있 었 던 것 이 다 . 
 하지만 트랜지스터 개발 로 전자 부품 소형 화 시대 가 열렸 고 , 전자 기기 는 현재 사용 하 는 컴퓨터 , 노트북 , 스마트폰 등 의 크기 로 획기 적 인 몸집 줄이 기 가 가능 해졌 다 . 
 트랜지스터 의 구조 와 작동 원리 
 ▲ 왼쪽 부터 p - n - p 형 트랜지스터 , n - p - n 형 트랜지스터 
 트랜지스터 는 p 형 반도체 두 개 와 그 사이 에 n 형 반도체 를 끼워 만든 ‘ pnp 형 트랜지스터 ’ 와 반 대로 n 형 반도체 두 개 와 그 사이 에 p 형 반도체 를 끼워 넣 은 ‘ npn 형 트랜지스터 ’ 가 있 다 . 사이 에 낀 반도체 는 매우 얇 게 만드 는데 수 ㎛( 마이크로미터 ) 에서 수 nm ( 나노미터 ) 의 두께 로 만든 다 . 사람 의 머리카락 굵기 가 50 ~ 100 ㎛ 이 니 사이 에 끼워 넣 는 반도체 의 굵기 는 매우 얇 은 것 이 다 . 
 먼저 트랜지스터 의 각 부분 의 명칭 과 작동 원리 를 ‘ pnp 형 트랜지스터 ’ 를 통해 살펴보 자 . 
 그림 왼쪽 의 p 형 반도체 에 는 양공 ( positive hole , 정공 ) 이 있 으며 가운데 낀 n 형 반도체 에 는 남 는 전자 가 있 다 . 왼쪽 회로 의 p - n 접합부 에 순방향 전압 V 1 을 걸 어 주 면 p 형 반도체 에 있 는 양공 은 밀려나 오른쪽 으로 이동 하 고 , n 형 반도체 에 있 는 전자 는 왼쪽 으로 이동 하 여 양공 과 전자 가 접합면 으로 움직인다 . 그렇게 되 면 왼쪽 회로 에 는 전류 가 흐른다 . 
 그런데 n 형 반도체 가 매우 얇 다 보 니 양공 과 결합 할 전자 가 턱없이 부족 하 게 된다 . 이때 오른쪽 회로 의 n - p 접합부 에 역방향 전압 V 2 를 걸 어 주 어 남아도 는 양공 이 오른쪽 으로 건너 와 역방향 전압 V 2 의 ( -) 단자 에서 공급 되 는 전자 와 결합 하 여 더 큰 전류 가 흐르 게 된다 . 
 이때 왼쪽 p 형 반도체 는 양공 을 방출 하 므로 방출 한다는 뜻 의 이미터 ( Emitter ) 라고 부르 고 , n 형 반도체 를 건너간 양공 을 수집 하 는 오른쪽 p 형 반도체 를 수집 한다는 뜻 의 컬렉터 ( Collector ) , 사이 에 낀 n 형 반도체 를 베이스 ( Base ) 라고 한다 . 사실 이 미터 , 베이스 , 컬렉터 의 용어 정리 만 잘 되 어 있 어도 반도체 의 절반 은 알 고 들어가 는 셈 이 다 . 
 이 미터 에 흐르 는 전류 를 ‘ IE ’, 베이스 전류 를 ‘ IB ’, 컬렉터 전류 를 ‘ IC ’ 라고 하 면 이 들 의 관계 는 위 와 같 다 . 
 이번 에 는 npn 형 트랜지스터 의 작동 원리 를 보 자 . pnp 형 의 작동 원리 를 이해 했 다면 npn 형 도 금방 이해 할 수 있 다 . 다만 , 이미 터 에서 양공 을 방출 하 는 pnp 형 과 는 달리 npn 형 은 전자 가 방출 된다 . 이 전자 들 은 베이스 의 양공 과 접합면 에서 결합 하 여 전류 가 흐르 게 된다 . 하 지만 p 형 반도체 가 매우 얇 아 양공 과 결합 하 지 못한 남아도 는 전자 들 이 컬렉터 쪽 으로 넘어가 게 되 고 컬렉터 쪽 에 는 베이스 쪽 보다 더 큰 전류 가 흐르 게 된다 . 
 ▲ 왼쪽 부터 pnp 형 트랜지스터 , npn 형 트랜지스터 
 일반 적 으로 회로 에서 는 기호 를 사용 하 는 데 왼쪽 이 pnp 형 트랜지스터 를 , 오른쪽 이 npn 형 트랜지스터 를 나타낸다 . 전류 가 흐르 는 방향 을 표현 한 화살표 의 방향 만 잘 보 아도 어떤 종류 의 트랜지스터 인지 단번 에 알 수 있 다 . 
 트랜지스터 ‘ 너 의 능력 은 ? ’ 
 1 . 스위칭 기능 
 트랜지스터 의 매우 중요 한 역할 인 스위칭 작용 에 대해 알아보 자 . 스위치 하 면 떠오르 는 것 이 집 에 있 는 전등 의 스위치 일 것 이 다 . 전등 의 스위치 를 생각 하 면 트랜지스터 의 스위칭 작용 은 매우 쉽 다 . 아래 회로 와 같이 스위치 가 열려 있 으면 베이스 에 전류 가 흐르 지 않 고 이때 모든 전류계 에 전류 가 흐르 지 않 는다 . 
 하지만 스위치 를 닫 아 베이스 에 전류 가 흐르 면 모든 전류계 에 전류 가 흐르 게 된다 . 이런 성질 을 이용 하 면 회로 에서 전류 가 흐를 때 를 1 , 전류 가 흐르 지 않 을 때 를 0 으로 하 여 스위치 처럼 이용 할 수 있 다 . 이것 을 트랜지스터 의 스위칭 작용 이 라고 한다 . 
 이러 한 스위칭 기능 은 디스플레이 의 픽셀 을 켜 고 끄 는 등 밝기 를 조절 하 는 데 에 도 유용 하 게 사용 되 고 있 다 . OLED 나 LCD 에 는 각각 의 픽셀 을 조절 하 는 아주 작 은 박막 트랜지스터 ( TFT ) 들 이 무수히 많이 탑재 돼 있 는데 , 이 TFT 들 이 스위칭 작용 을 하 기 때문 에 , 픽셀 이 고정 된 색 이 아니 라 다양 한 밝기 와 색상 을 만들 어 낼 수 있 다 . 
 2 . 증폭 기능 
 다음 은 트랜지스터 의 증폭 작용 에 대해 알아보 자 . 트랜지스터 의 베이스 는 매우 얇 아서 pnp 형 이 든 npn 형 이 든 베이스 에 흐르 는 전류 는 약한 전류 가 흐르 게 된다 . 이 에 비해 컬렉터 에 흐르 는 전류 는 베이스 전류 보다 매우 센 전류 가 흐르 게 되 는데 컬렉터 전류 IC 는 베이스 전류 IB 에 비례 하 는 성질 이 있 어서 다음 과 같이 표현 할 수 있 다 . 
 ▲ 왼쪽 부터 앰프 , 직류 전원 장치 
 앰프 는 트랜지스터 의 증폭 작용 을 이용 해 만든 대표 적 인 기기 다 . 마이크 가 음성 신호 를 전기 신호 로 바꿔 주 면 이 신호 는 앰프 를 거쳐 크 게 증폭 되 는데 , 앰프 안 에 트랜지스터 가 있 기 때문 이 다 . 이렇게 증폭 된 전기 신호 는 스피커 를 빠져 나올 때 다시 음성 신호 로 바뀌 게 된다 . 
 또한 트랜지스터 는 전파 나 음성 신호 와 같 은 교류 신호 의 증폭 뿐 만 아니 라 직류 전기 신호 의 증폭 에 도 이용 된다 . 이것 을 직류 증폭 이 라고 하 는데 직류 전원 장치 ( 파워 서플라이 ) 에 도 트랜지스터 가 이용 되 고 있 다 . 
 우리 가 사용 하 는 대부분 의 전자 제품 에 는 트랜지스터 가 들 어 있 다 . 제품 내부 의 전자회로 에 장착 되 어 있 기 때문 에 우리 눈 에 쉽 게 띄 지 는 않 지만 , 휴대 성 과 소형화 가 중요 해진 21 세기 , 특히 모바일 중심 세상 에 살 고 있 는 현재 의 우리 에게 트랜지스터 는 없 어서 는 안 될 전자 부품 이 다 . 트랜지스터 는 현재 는 물론 , 미래 에 도 플렉시블 디스플레이 용 TFT 등 다양 한 분야 에서 다양 한 형태 로 발전 하 며 , 그 중요 성 도 계속 이어질 것 으로 전망 된다 . 전자 기술 의 혁신 을 가져온 트랜지스터 . 트랜지스터 의 발명 과 파급 효과 를 바라보 면 , 인류 의 발전 과 풍요 를 위해 미래 에 는 또 어떤 혁신 기술 이 등장 할지 기대 된다 . 
 전자회로 기초 
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