2 I. 서론: 무선 통신과 전자공학 시대의 개막 1873년 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell)이 전자기 파의 존재를 예상하고 [1], 1887년 하인리히 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)에 의해 전자기파의 존재가 확인된 후 [2] 전자기

Revised version: 2017.11.1 History and Principles of Vacuum Tubes and Transistors Minwook Kim Seoul National University, Seoul 08826, Korea Department of Physics and Astronomy (Submitted 05 October 2017) The transistor, considered to be the greatest invention of the 20th century, has replaced the vacuum tube that dominated the previous era and has been a key element in electronics for the last half century. Understanding the background of the opening of the electronic engineering era, and the birth of two rulers - the vacuum tube and the transistor can help you to comprehend how electronics has evolved. In this paper, I introduce the history of electronic devices from Marconi s development of wireless radio communication in the late 1800 s to the invention of vacuum tubes by Fleming and Forest in the early 1900 s through the birth of the transistor in 1947 by Shockley, Bardeen, and Brattain. The physical principles and structure of each devices are also described. 진공관과 트랜지스터 : 역사와 원리 김민욱 서울대학교, 서울 08826, 대한민국 물리천문학부 (2017년 10월 5일 제출) 20세기 가장 위대한 발명으로 꼽히는 트랜지스터는 이전 시대를 지배하던 진공관을 대체하고 지난 반 세기 동안 전자공학의 핵심 소자로 자리해 왔다. 전자공학 시대의 개막과 진공관-트랜지스터, 두 지배자의 탄생 배경에 대해 이해하면 전자공학이 어떻게 발전되어 왔는지 파악할 수 있다. 본 논문에서는 1800년대 후반 마르코니의 무선 전파 통신 개척에서부터 1900년대 초반 플레밍과 포리스트의 진공관 발명을 거쳐 1947년에 쇼클리, 바딘, 브래에 의해 트랜지스터가 탄생하기까지 약 50년간 전자 소자의 역사를 소개한다. 아울러 각 소자의 물리학적 원리와 구조에 대해서도 기술한다. E-mail: ace@snu.ac.kr

2 I. 서론: 무선 통신과 전자공학 시대의 개막 1873년 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell)이 전자기 파의 존재를 예상하고 [1], 1887년 하인리히 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)에 의해 전자기파의 존재가 확인된 후 [2] 전자기파를 이용한 무선 통신은 세상에 가능성을 드러냈다. 19세기 후반부터 시작된 무선 통신에 관한 연구는 굴리엘 모 마르코니(Guglielmo Marconi)에 의해 1901년 대서양 II. 진공관: 전자공학 시대의 첫 번째 지배자 무선 통신이 실현되고 10여년이 지나 등장한 진공관은 등 장과 함께 전자공학 시대를 지배하게 된다. 정류자의 기능 개선을 위해 발명된 진공관은 추가적으로 증폭기의 기능 도 갖추게 되며 무선 통신을 포함한 많은 전자공학 분야에 커다란 영향을 끼친다. 이후 제 1, 2차 세계 대전을 거치 며 무선 통신의 중요성이 대두되고, 진공관과 전자공학의 발전에도 가속이 붙는다. 횡단 무선 통신이 성공하면서 결실을 맺고, 마르코니의 성 공은 세상에 전자공학 시대의 개막을 알린다. [3] 전파 통신에는 교류 전파로 변조된 음성 신호를 다시 음 1. 플레밍의 2극 진공관 성 신호로 검파하기 위한 정류자가 반드시 필요하다. 초기 전파통신 장치의 정류자는, 브라운관으로 잘 알려진 페르 디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)에 의해 1874년 발 명된, 점 접촉 정류자를 사용했다. 이것은 방연석(PbS) 결 정에 얇은 금속 선을 접촉시키면 금속 선을 양극, 방연석 결정을 음극으로 하는 방향으로만 전류가 흐르는 원리를 이용했다. 이 얇은 금속 선이 마치 고양이 수염처럼 생겼 다고 하여 고양이 수염 정류자라는 이름으로 많이 불린다. 점 접촉 정류자는 뒤에 나올 점 접촉 트랜지스터의 전신 과도 같지만, 이름 그대로 정류의 기능만을 가지고 있고, 신호를 증폭시킬 수는 없었다. 마르코니의 전파 통신 장치 를 포함한 초기의 전파 통신 장치에는 점 접촉 정류자가 사용되었으나, 수신상태가 불안정해 소리가 깨지고 원하는 주파수만을 검류하지 못하는 등 정류 작용의 안정성에도 플레밍은 마르코니의 회사에 오기 전 토마스 에디슨 (Thomas Alva Edison)의 회사에서 자문 역을 맡았고, 1884년에는 에디슨을 만나 에디슨 효과(Edison effect)에 대해 알게 되었다. 에디슨 효과는 에디슨이 전구의 그을음 제거와 필라멘트의 수명을 개선하기 위한 많은 시도를 하 던 중에 우연히 발견되었다. 전구 내부에 금속 플레이트를 삽입했더니 가열된 필라멘트로부터 열전자가 방출되어 진 공 중에서 금속 플레이트로 전류가 흐르는 현상을 발견한 것이다. 이 전류의 전하 운반자(carrier)가 열에 의해 필라 멘트에서 방출된 전자이므로 플레이트와 필라멘트의 전위 부호에 따라 전류 여부가 결정되었다. 에디슨은 직류만을 실험에 사용하여 이 현상에 크게 의미를 두지 않았으나, 플 레밍은 이 장치에 교류를 흘리는 실험을 통해 장치의 정류 가능성을 보았다. [5] 문제가 있었다. [4] 마르코니는 무선 통신 회사를 설립했고, 회사에는 무선 통 신 장치의 발전을 위해 연구하던 과학자들이 있었다. 1899 년부터 마르코니사의 과학 자문을 맡게 된 앰브로즈 플레 밍(John Ambrose Fleming)도 그 중 한명이었다. 플레밍은 정류자의 개선을 고민하던 중 획기적인 발상을 하게 된다. Fig. 2. Edison effect: 필라멘트와 플레이트 사이의 전위에 따라 전류의 흐름이 결정된다 Fig. 1. Cat s Whisker Rectifier 20여년이 지나 마르코니사에서 정류자의 개선을 연구하던 플레밍은 에디슨 효과를 정류자에 이용할 생각에 도달한 다. 필라멘트보다 플레이트의 전위가 높으면 진공을 통해 전류가 흐르지만, 반대의 경우엔 전류가 흐르지 못하는 현 상을 교류의 정류에 이용한 것이다. 이렇게 플레밍은 1904

3 3. 진공관의 한계 년 새로운 형태의 정류자이자 진공관의 시조라 할 수 있는 플레밍 밸브(Fleming valve)를 발명한다. 이것은 두 개의 입력 단자가 달린 2극 진공관이다. 플레밍 밸브는 훨씬 나 핵심 소자로서 진공관이 이뤄내는 전자공학의 눈부신 발 은 정류자로서의 기능을 선보였고 곧바로 브라운의 점 접촉 전과 함께 한편으로는 진공관의 문제점도 드러나고 있었다. 정류자를 대체하게 되었다. 진공관은 가열된 금속에서 전자가 방출되는 에디슨 효과가 골자이므로 반드시 금속에 열을 가해야 한다. 따라서 많은 열이 발생하고 많은 전력을 소비했으며 그 수명 또한 길 2. 포리스트의 3극 진공관 지 않았다. 유리로 구성되어 내구성 또한 좋지 못했으며, 출력이 진공관의 크기에 비례했기 때문에 고출력을 위해 위의 정류자들은 무선 전파 통신을 가능케 한 일등 공 서는 장치의 크기가 커야만 하는 필연성이 있었다. 이와 신이었지만, 증폭 작용의 부재로 인해 전파 송신소로부터 같은 진공관의 한계점을 여실히 드러낸 장치가 아이러니 거리에 따른 신호의 감소가 곧 음질의 저하로 이어졌고, 미 하게도 진공관 시대 최고의 결실이라 볼 수 있는 최초의 약한 신호를 증폭하여 음질을 개선하는 것은 불가능했다. 컴퓨터 애니악(ENIAC)이다. 애니악은 50평의 공간을 차 플레밍의 진공관 이론이 발표되고 2년 뒤인 1906년, 신호 지했고 항상 진공관 교체를 위한 사람이 대기하고 있어야 증폭 작용의 필요성을 직감했던 리 드 포리스트(Lee De 했으며 냉각을 위한 에어컨 가동이 필수였다. 또한 가동시 Forest)에 의해 3극 진공관이 개발된다. 이것은 2극 진공관 필라델피아에 전력난을 일으킬 정도로 어마어마한 전력을 의 구조 중 필라멘트와 플레이트 사이에 역전압을 인가할 소비했다. 수 있는 철망 형태의 그리드만을 추가한 구조였다. 비단 컴퓨터뿐만 아니라 다른 전자 기기들의 휴대성과 실용 성 또한 점점 강조되었고, 20세기 중반 당시 많은 전자공학 계열 회사들은 진공관의 단점들을 해결할 수 있는 신소재 개발에 주목하고 있었다. [3] III. 트랜지스터: 전자공학 시대의 황태자 진공관이 전자공학의 발전을 이끌고 있을 당시 이미 반 Fig. 3. Triode amplifier circuit: 입력 전압의 미세한 변화 가 출력 전압의 커다란 변화를 만든다 도체를 통한 정류 작용까지는 가능한 상황이었다. 성능은 떨어지지만, 가장 초기의 통신 장치에서 쓰였던 브라운의 점 접촉 정류기가 반도체를 사용한 정류기의 일종이라고 Fig 3과 같이 그리드와 필라멘트 사이에는 전압 신호가 입 볼 수 있다. 반도체는 진공관의 단점들을 해결할 수 있을 력된다. 그리드가 필라멘트보다 전위가 높을 경우 필라멘트 만한 가능성이 있었다. 발열, 전력, 크기, 수명 등 많은 면에 에서 방출되는 대부분의 전자가 그리드에 흡수되며 출력은 서 진공관보다 우월했다. 다만 반도체를 이용한 안정적인 거의 0이 된다. 따라서 의미있는 결과를 얻으려면 그리드 증폭기가 아직 개발되지 않았을 뿐이었다. 에 역전압을 인가해야 한다. 그리드의 전위가 필라멘트보다 1945년 AT&T의 벨 연구소장 머빈 켈리(Mervin Joe 낮으면 필라멘트에서 플레이트로 향하는 전자의 흐름을 방 Kelly)는 반도체가 진공관을 대체할 새로운 소자가 될 것 해하는데, 그리드에 걸린 역전압의 작은 변화가 필라멘트와 이라 생각하고 반도체 증폭기를 개발하기 위한 연구팀을 플레이트 사이에 흐르는 커다란 전류를 조절할 수 있으므 꾸렸다. 이렇게 트랜지스터의 발명자인 세 물리학자 윌 로 증폭기의 역할이 가능하다. 포리스트가 오디온(Audion) 리엄 쇼클리(William Bradford Shockley), 존 바딘(John 이라 이름 붙인 3극 진공관의 등장으로 신호의 증폭이 가능 Bardeen), 월터 브래튼(Walter Houser Brattain)이 모이 하게 된 전파 통신 장치는 또 한번의 커다란 발전을 이루게 게 되었다. 흥미롭게도 벨 연구소 반도체 증폭기 연구팀의 된다. 이후 다극 진공관의 발명 등 진공관의 개선이 거듭 성과물은 하나가 아니라 둘이었다. 바딘과 브래튼이 발명한 되고, 무선 통신 이외의 다른 전자 기기에도 활용되면서 점 접촉 트랜지스터(point-contact transistor)와 쇼클리가 진공관은 본격적인 전자공학 시대를 꽃피우는 핵심 소자로 발명한 접합 트랜지스터(junction transistor)가 그것이다. 자리잡는다. [6] [8]

4 1. 쇼클리의 장 효과 이론과 바딘의 표면 상태 이론 연구팀의 리더였던 쇼클리는 이미 구상했던 반도체 증 폭기의 이론이 있었다. 외부 전기장의 변화를 통해 얇은 반도체 막의 다수 전하 운반자(majority carrier) 수를 증감 시킴으로써 반도체의 전기 전도도와 흐르는 전류의 세기를 조절할 수 있을 것이라는 장 효과 이론(field effect theory) 이었다(see Figure 4, 5). 즉, 쇼클리 이론의 핵심은 다수 전하 운반자의 농도 변화에 의한 전기 전도도의 변화이다. 하지만 전기장의 변화에 따른 표면 전기 전도도의 변화는 이론적인 예상치보다 매우 부족했으며 증폭기로의 구현은 번번히 실패했다. 쇼클리는 실패 원인 분석을 바딘에게 맡 겼고, 곧 바딘은 표면 상태(surface state)에 기반한 가설 로서 실패 원인을 설명했다. 결정 표면의 전하 운반자들이 반도체를 차폐(shielding)하고 있어서 외부 전기장이 얇은 반도체 내부에 있는 전하 운반자에 영향을 미치지 못한다 는 것이다. 바딘의 표면 상태 이론은 점 접촉 트랜지스터와 1959년 발명된 MOSFET 등 이후 연구의 기반이 된다. [9] Fig. 5. Circuit schematic for the modulation of conductance by the field effect : 입력 전압을 통해 반도체 외부 에 전기장을 걸어 주면 얇은 반도체(이 그림에서는 n-type) 막 내부의 다수 전하 운반자(이 경우 전자)들이 표면으로 유도되어 반도체 표면의 전기 전도도가 커진다. 이 전기 전 도도의 변화가 출력 전류의 변화를 일으켜 증폭기의 역할을 수행할 수 있다. 2. 바딘과 브래튼의 점 접촉 트랜지스터 Fig. 4. The theory of a field-effect transistor using a thin layer of semiconductor (with no surface states): (a)입력 전압을 인가하지 않았을 때 (b)순전압을 인가하면 n형 반 도체의 표면에 전자가 유도되어 전기 전도도가 커진다 (c) 역전압을 인가하면 전기 전도도가 작아진다[ c 1984 IEEE]. 연구팀의 첫 과제는 표면 상태에 의한 전기 차폐를 무효 화하는 것이었다. 여기서 브래튼이 결정적인 발견을 한다. 브래튼은 여러 시도를 하던 중 실리콘 반도체를 전해액 속 에 가라앉히면 전해액의 이온이 표면의 전하 운반자들에 의한 차폐를 무효화시킬수 있다는 사실을 발견했다. 동시 에 바딘은 쇼클리의 구상처럼, 장 효과로 다수 전하 운반 자를 제어하여 전기 전도도를 조절하는 것이 효율적이지 않다고 생각했다. 바딘은 쇼클리의 초기 구상과 전혀 다 른, 소수 전하 운반자에 기반한 구조의 트랜지스터를 제안 했고, 1947년 11월에 p형 실리콘을 이용한 모델로 소정의 증폭 효과를 확인한다. 연구 도중 바딘과 브래튼은 저마늄 (Germanium)을 양극 산화(anodize)시키면 전해액을 대체 할 수 있음을 발견한다. 더 좋은 증폭 효과를 위해 구성 물질과 환경을 바꾸는 시행 착오 끝에 그들은 1947년 12

5 월 n형 저마늄(Germanium)에 화학적으로 형성된 역전층 접촉 트랜지스터가 발명되기 1주일 전에 이미 n-p-n 형태 (inversion layer)을 이용한 반도체 증폭기를 만들게 된다. 의 접합 반도체 증폭기에 관한 구상을 해 놓은 상태였다. 소수 전하 운반자(minority carrier)의 제어에 의한 전류에 이 접합 트랜지스터의 원리는 점 접촉 트랜지스터에 사용 기반한 첫 번째 반도체 증폭기의 탄생이었다. [9] 된 물리적 원리를 넘어서는데, 이미터에서 나온 소수 전하 Fig 6은 점 접촉 트랜지스터의 모식도(위)와 바딘과 브래 운반자가 트랜지스터의 베이스 층에 이미 존재하는 다수 튼이 출원한 특허에 포함된 그림(아래)이다. 모든 전압을 전하 운반자 속으로 확산되는 현상에 대한 이해가 필요하 인가하기 전의 저마늄[4]은 n-type이다. 베이스[2]와 이미 기 때문이다. 쇼클리는 이 현상에 대해 확신하지 못하고 터 전극[5] 사이에 순바이어스(forward bias)를 인가하면 있었으나, 우선적으로 1948년 1월 접합 반도체 증폭기의 이미터 전극으로부터 소수 전하 운반자인 양공(hole)이 저 구조로 특허를 출원한다. 그 직후 2월 같은 벨 연구소의 마늄으로 확산되어 얇은 p-type역전층[3](inversion layer) 물리학자 샤이브(John Northrup Shive)가 행한, 점 접촉 을 형성한다. 역바이어스(reverse bias)가 인가되어 전자의 트랜지스터의 이미터와 컬렉터를 반도체의 반대편에 위치 과잉 상태에 둘러싸여 있던 컬렉터 전극은 이 역전층을 통 시키는 실험에서, 쇼클리는 앞서 기술한 현상이 존재함을 해 이미터로부터 전류가 흐를 수 있게 된다. 역전층 채널의 확인했다. 즉, 반도체 내부로 소수 전하 운반자가 확산되 크기, 즉 저항은 이미터에 걸린 순바이어스의 크기에 의존 어 전류가 흐를 수 있다는 가능성을 본 것이다. 쇼클리는 하고 역전층 채널의 저항은 컬렉터에 도달하는 전압, 전류, 접합 반도체 증폭기가 이론적으로 가능함은 확인했으나 베 전력에 큰 영향을 준다. 이미터에 입력된 작은 신호가 컬렉 이스 내부로 확산된 소수 전하 운반자가 이미터와 컬렉터 터에 큰 신호로 도달하게 되는 증폭기의 역할을 수행할 수 있는 것이다. [7] [8] 사이 연결을 만들 만큼 오래 생존하지 못하는 문제로 인해 곧바로 구현하지는 못했다. 쇼클리의 이론은 이후에 다른 과학자들의 연구로부터 기술적인 도움을 받아 1951년 n-pn형 접합 트랜지스터가 구현되는 데 밑바탕이 된다. Fig. 7. Schematic representation of the semiconductor junction amplifier Fig 7은 쇼클리의 특허에 포함된 그림이다. 이미터에서 베 Fig. 6. Schematic representation of the semiconductor point-contact amplifier 이스로 전자가 진입하려면 p형 반도체의 불순물에 의해 형 성된 퍼텐셜 장벽을 넘어야 한다. 베이스인 p형 반도체의 두께가 충분히 얇다면 이 퍼텐셜 장벽이 높지 않다. 이미 터-베이스에 순바이어스를 인가하면 베이스에 양전위가 인 3. 쇼클리의 접합 트랜지스터 가되어 양공이 쉽게 p형 반도체 안으로 흐른다. p형 반도체 안으로 확산된 양공은 전자 입장에서의 퍼텐셜 장벽을 낮 무슨 이유에서인지, 바딘과 브래튼은 그들의 점 접촉 트 추고, 이것은 퍼텐셜 장벽을 넘어오는 전자의 흐름을 지수 랜지스터 특허에 쇼클리의 이름을 넣지 않았고, 이것은 쇼 함수적으로 증가시킨다. n형 반도체로부터 p형 반도체로 클리에게 큰 절망과 자극을 주었다. 쇼클리는 곧바로 더 확산되어 나온 전자는 p형 반도체에서 흘러가는 도중, 베 나은 반도체 증폭기를 발명하기로 결심한다. 쇼클리는 점 이스-컬렉터에 인가된 역바이어스에 의해 컬렉터 쪽으로

6 가속된다. 이미터에서 컬렉터로 유입되는 전자 수가 바이 어스의 크기에 의해 아래 식과 같이 지수함수적으로 결정되 고, 전자 수는 곧 컬렉터에서 출력되는 전압과 전류, 전력에 직결된다. 즉, 바이어스로서 입력되는 신호가 컬렉터에서 큰 신호로 증폭되어 출력되는 것이다. 이미터와 베이스 사 이 전류는 다음과 같이 주어지며, 전류의 증폭 작용을 나타 낸다. 컴퓨터로 대표되는 현대의 문명은 트랜지스터가 있기에 성 립한다. 만약 진공관을 개선하고자 하는 전 시대 사람들의 의지가 없었다면 트랜지스터는 탄생하지 못했을 것이다. 인류는 트랜지스터라는 벽돌로 50년 넘게 문명을 지어 오고 있다. 진공관이 50년 후 트랜지스터로 발전되었듯이, 현재의 트랜지스터도 발전하는 것이 바람직할 것이다. I = I0 (eqv /kt 1) 이 때 I0 은 포화 상태의 전류, q는 전자의 전하량 절대값, V 는 이미터에 인가된 바이어스, k는 볼츠만 상수, T 는 절대 온도이다. [10] [11] 4. 트랜지스터 발명 이후 트랜지스터가 발명된 지 얼마 되지 않아 트랜지스터만의 우수성이 부각되었고, 트랜지스터는 곧 진공관의 왕위를 계 승했다. 바딘-브래튼의 점 접촉 트랜지스터는 그 효율성이 쇼클리의 접합 트랜지스터보다 좋지 않아 상용화되지 않 았다. 쇼클리의 트랜지스터는 기존 진공관의 크기, 전력, 열, 수명 등 단점의 해결은 소자의 소형화와 함께 기기의 소형화도 이끌어냈다. 크고 무거워 들고 다니기 힘들었던 라디오는 배터리로 작동하며 주머니에 넣을 수 있는 사이 즈가 되었고, 집 한채 면적을 모두 차지하던 컴퓨터는 점차 소형화되어 대중들이 개인 컴퓨터로 사용할 수 있게 되었 다. 현재까지 이어지는 트랜지스터 시대가 열린 것이다. IV. 결론 19세기 후반부터 시작된 전자공학의 시대는 20세기를 전기와 후기로 나누어 지배한 진공관과 트랜지스터를 거쳐 오늘날까지 이어지고 있다. 전자기파의 발견으로부터 이를 통신에 적용하려 한 마르코니의 창의성, 지나칠 만한 사소한 발견으로부터 위대한 발명을 해낸 플레밍의 재치, 대단한 발명품에 위축되지 않고 오히려 2년 만에 그것을 개선하여 내놓은 포리스트의 세밀함, 기존의 이론과 방식을 과감히 포기하고 새로운 소자를 창조한 바딘과 브래튼의 대담함, 동료들의 배신에도 이를 원동력 삼아 더 위대한 발명을 해낸 쇼클리의 투지, 지난 백년간의 전자공 학 역사에는 본 논문에서 다룬 굵직한 인물들과 함께 미처 다루지 못한 과학자와 발명가들의 위대한 업적들이 담겨 있다. 거인의 어깨 위에 올라섰던 난쟁이들은 오늘날의 우리들을 위해 거인의 어깨가 되었다. REFERENCES [1] J. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 1873 [2] H. Hertz, On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators, Sitzungsber. d. Berl. Akad. d. Wiss., 1887 [3] HJ Schmitt, The Rise and Fall of the VacuumTube, Overview IHF Museum, RWTH-Aachen, 2005 [4] IEEE, Crystal radio detector [ cat s whisker ]: the first wireless device, IEEE Circuits and Devices Magazine, Volume: 17, Issue: 2, March 2001 [5] J. A. Fleming, On Electric Discharge Between Electrodes Temperatures in Air and High Vacua, Proceedings of the Royal Society 47: 118-126, 1890 [6] IEEE, The Audion- detector and amplifier, Proceedings of the IEEE, Volume: 86, Issue: 9, 1998 [7] J. Bardeen and W. Brattain, The Transistor, A Semi-Conductor Triode, Physics Review, Volume: 74, 230-231, 1948 [8] H. R. Huff, JOHN BARDEEN and TRANSISTOR PHYSICS, CHARACTERIZATION AND METROLOGY FOR ULSI TECHNOLOGY 2000. AIP Conference Proceedings, Volume: 550, 3-32, 2001 [9] M. Riordan, L. Hoddeson and C. Herring, The invention of the transistor, Reviews of Modern Physics, Volume: 71, No. 2, Centenary, 1999 [10] W. Shockley, The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors, Bell Labs Technical Journal, Volume: 28, Issue 3, 435 489, 1949 [11] W. Shockley, The Path to The Conception of The Junction Transistor, IEEE Trans. Electron Devices, ED-23, 597-620, 1976

First version: 2017.10.5 History and Principles of Vacuum Tubes and Transistors Minwook Kim Seoul National University, Seoul 08826, Korea Department of Physics and Astronomy (Submitted 05 October 2017) The transistor, considered to be the greatest invention of the 20th century, has replaced the vacuum tube that dominated the previous era and has been a key element in electronics for the last half century. Understanding the background of the opening of the electronic engineering era, and the birth of two rulers - the vacuum tube and the transistor can help you to comprehend how electronics has evolved. In this paper, I introduce the history of electronic devices from Marconi s development of wireless radio communication in the late 1800 s to the invention of vacuum tubes by Fleming and Forest in the early 1900 s through the birth of the transistor in 1947 by Shockley, Bardeen, and Brattain. The physical principles and structure of each devices are also described. 진공관과 트랜지스터 : 역사와 원리 김민욱 서울대학교, 서울 08826, 대한민국 물리천문학부 (2017년 10월 5일 제출) 20세기 가장 위대한 발명으로 꼽히는 트랜지스터는 이전 시대를 지배하던 진공관을 대체하고 지난 반 세기 동안 전자공학의 핵심 소자로 자리해 왔다. 전자공학 시대의 개막과 진공관-트랜지스터, 두 지배자의 탄생 배경에 대해 이해하면 전자공학이 어떻게 발전되어 왔는지 파악할 수 있다. 본 논문에서는 1800년대 후반 마르코니의 무선 전파 통신 개척에서부터 1900년대 초반 플레밍과 포리스트의 진공관 발명을 거쳐 1947년에 쇼클리, 바딘, 브래에 의해 트랜지스터가 탄생하기까지 약 50년간 전자 소자의 역사를 소개한다. 아울러 각 소자의 물리학적 원리와 구조에 대해서도 기술한다. E-mail: ace@snu.ac.kr

2 I. 서론: 무선 통신과 전자공학 시대의 개막 II. 진공관: 전자공학 시대의 첫 번째 지배자 1873년 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell)이 전자기 무선 통신이 실현되고 10여년이 지나 등장한 진공관은 등 파의 존재를 예상하고 [1], 1887년 하인리히 헤르츠(Hein- 장과 함께 전자공학 시대를 지배하게 된다. 정류자의 기능 rich Rudolf Hertz)에 의해 전자기파의 존재가 확인된 후 [2] 개선을 위해 발명된 진공관은 추가적으로 증폭기의 기능 전자기파를 이용한 무선 통신은 세상에 가능성을 드러냈다. 도 갖추게 되며 무선 통신을 포함한 많은 전자공학 분야에 19세기 후반부터 시작된 무선 통신에 관한 연구는 굴리엘 커다란 영향을 끼친다. 이후 제 1, 2차 세계 대전을 거치 모 마르코니(Guglielmo Marconi)에 의해 1901년 대서양 며 무선 통신의 중요성이 대두되고, 진공관과 전자공학의 횡단 무선 통신이 성공하면서 결실을 맺고, 세상에 전자공 발전에도 가속이 붙는다. 학 시대의 개막을 알린다. [3] 전파 통신에는 교류 전파로 변조된 음성 신호를 다시 음 성 신호로 검파하기 위한 정류자가 반드시 필요하다. 초기 전파통신 장치의 정류자는 브라운관으로 잘 알려진, 페르디 난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)에 의해 1874년 발명 된 점 접촉 정류자를 사용했다. 이것은 방연석(PbS) 결정에 얇은 금속 선을 접촉시키면 금속 선을 양극, 방연석 결정을 1. 플레밍의 2극 진공관 플레밍은 마르코니의 회사에 오기 전 토마스 에디슨 (Thomas Alva Edison)의 회사에서 자문 역을 맡았고, 1884년에는 에디슨을 만나 에디슨 효과(Edison effect)에 알게 되었다. 에디슨 효과는 에디슨이 전구의 그을음 제 음극으로 하는 방향으로만 전류가 흐르는 원리를 이용한 거와 필라멘트의 수명을 개선하기 위한 많은 시도를 하던 것이다. 이 얇은 금속 선이 마치 고양이 수염처럼 생겼다 중에 우연히 발견되었다. 전구 내부에 금속 플레이트를 삽 고 하여 고양이 수염 정류자라는 이름으로 많이 불린다. 입했더니 가열된 필라멘트로부터 열전자가 방출되어 진공 점 접촉 정류자는 뒤에 나올 점 접촉 트랜지스터의 전신 중에서 금속 플레이로 전류가 흐르는 현상을 발견한 것이 과도 같지만, 이름 그대로 정류의 기능만을 가지고 있고, 다. 이 전류의 전하 운반자(carrier)가 열에 의해 필라멘트에 신호를 증폭시킬 수는 없었다. 마르코니의 전파 통신 장치 서 방출된 전자이므로 플레이트와 필라멘트의 전위 부호에 를 포함한 초기의 전파 통신 장치에는 점 접촉 정류자가 따라 전류 여부가 결정되었다. 에디슨은 직류만을 실험에 사용되었으나, 수신상태가 불안정해 소리가 깨지고 원하는 사용하여 이 현상에 크게 의미를 두지 않았으나, 플레밍은 주파수만을 검류하지 못하는 등 정류 작용의 안정성에도 이 장치에 교류를 흘리는 실험을 통해 이 장치의 정류 가 문제가 있었다. [4] 능성을 보았다. [5] 마르코니는 무선 통신 회사를 설립했고, 회사에는 무선 통신 장치의 발전을 위해 연구하던 과학자들이 있었다. 1899년부터 마르코니사의 과학 자문을 맡게 된 앰브로즈 플레밍(John Ambrose Fleming)도 그 중 한명이었다. 플레 밍은 정류자의 개선을 고민하던 중 획기적인 발상을 하게 된다. Fig. 2. Edison effect: 필라멘트와 플레이트 사이의 전위에 따라 전류의 흐름이 결정된다 20여년이 지나 마르코니사에서 정류자의 개선을 연구하던 플레밍은 에디슨 효과를 정류자에 이용할 생각에 도달한 Fig. 1. Cat s Whisker Rectifier 다. 필라멘트보다 플레이트의 전위가 높으면 진공을 통해 전류가 반대의 경우엔 전류가 흐르지 못하는 현상을 교류의

3 정류에 이용한 것이다. 이렇게 플레밍은 1904년 새로운 형 태의 정류자이자 진공관의 시조라 할 수 있는 플레밍 밸브 (Fleming valve)를 발명한다. 이것은 두 개의 입력 단자가 달린 2극 진공관이다. 플레밍 밸브는 훨씬 나은 정류자로 서의 기능을 선보였고 곧바로 브라운의 점 접촉 정류자를 대체하게 되었다. 2. 포리스트의 3극 진공관 위의 정류자들은 무선 전파 통신을 가능케 한 일등 공 신이었지만, 증폭 작용의 부재로 인해 전파 송신소로부터 거리에 따른 신호의 감소가 곧 음질의 저하로 이어졌고, 미 약한 신호를 증폭하여 음질을 개선하는 것은 불가능했다. 플레밍의 진공관 이론이 발표되고 2년 뒤인 1906년, 신호 증폭 작용의 필요성을 직감했던 리 드 포리스트(Lee De 진공관은 가열된 금속에서 전자가 방출되는 에디슨 효과가 골자이므로 반드시 금속에 열을 가해야 한다. 따라서 많은 열이 발생하고 많은 전력을 소비했으며 그 수명 또한 길지 않았다. 유리로 구성되어 내구성 또한 좋지 못했으며, 출 력이 크기에 비례했기 때문에 고출력을 위해서는 장치의 크기가 커야만 하는 필연성이 있었다. 이와 같은 진공관 의 한계점을 여실히 드러낸 장치가 아이러니하게도 진공관 시대 최고의 결실이라 볼 수 있는 최초의 컴퓨터 애니악 (ENIAC)이다. 애니악은 50평의 공간을 차지했고 항상 진 공관 교체를 위한 사람이 대기하고 있어야 했으며 냉각을 위한 에어컨 가동이 필수였다. 또한 가동시 필라델피아에 전력난을 일으킬 정도로 어마어마한 전력을 소비했다. 비단 컴퓨터뿐만 아니라 다른 전자 기기들의 휴대성과 실용 성 또한 점점 강조되었고, 20세기 중반 당시 많은 전자공학 계열 회사들은 진공관의 단점들을 해결할 수 있는 신소재 개발에 주목하고 있었다. [3] Forest)에 의해 3극 진공관이 개발된다. 이것은 2극 진공관 의 구조 중 필라멘트와 플레이트 사이에 역전압을 인가할 수 있는 철망 형태의 그리드만을 추가한 구조였다. 그리드 Fig. 3. Triode amplifier circuit: 입력 전압의 미세한 변화 가 출력 전압의 커다란 변화를 만든다 에 역전압이 인가되면 전자의 흐름을 방해하는데, 이 전압 의 작은 변화가 필라멘트와 플레이트 사이에 흐르는 커다란 전류를 조절할 수 있으므로 증폭기의 역할을 할 수 있다. 포리스트가 오디온(Audion)이라 이름 붙인 3극 진공관의 등장으로 신호의 증폭이 가능하게 된 전파 통신 장치는 또 한번의 커다란 발전을 이루게 된다. 이후 다극 진공관의 발명 등 진공관의 개선이 거듭되고, 무선 통신 이외의 다 III. 트랜지스터: 전자공학 시대의 황태자 진공관이 전자공학의 발전을 이끌고 있을 당시 이미 반 도체를 통한 정류 작용까지는 가능한 상황이었다. 성능은 미달되지만 가장 초기의 통신 장치에서 쓰였던 브라운의 점 접촉 정류기가 반도체를 사용한 정류기의 일종이라고 볼 수 있다. 반도체는 진공관의 단점들을 해결할 수 있을 만한 가능성이 있었다. 발열, 전력, 크기, 수명 등 많은 면에 서 진공관보다 우월했다. 다만 반도체를 이용한 안정적인 증폭기가 아직 개발되지 않았을 뿐이었다. 1945년 AT&T의 벨 연구소장 머빈 켈리(Mervin Joe Kelly)는 반도체가 진공관을 대체할 새로운 소자가 될 것 이라 생각하고 반도체 증폭기를 개발하기 위한 연구팀을 꾸렸다. 이렇게 트랜지스터의 발명자인 세 물리학자 윌 리엄 쇼클리(William Bradford Shockley), 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(Walter Houser Brattain)이 모이 게 되었다. 벨 연구소의 반도체 증폭기 연구팀의 성과물은 하나가 아니라 둘이었다. 바딘과 브래튼이 발명한 점 접촉 트랜지스터(point-contact transistor)와 쇼클리가 발명한 접합 트랜지스터(junction transistor)가 그것이다. [8] 른 전자 기기에도 활용되면서 진공관은 본격적인 전자공학 시대를 꽃피우는 핵심 소자로 자리잡는다. [6] 1. 쇼클리의 장 효과 이론과 바딘의 표면 상태 이론 3. 진공관의 발전과 한계 핵심 소자로서 진공관이 이뤄내는 전자공학의 눈부신 발 전과 함께 한편으로는 진공관의 문제점도 드러나고 있었다. 연구팀의 리더였던 쇼클리는 이미 구상했던 반도체 증 폭기의 이론이 있었다. 외부 전기장의 변화를 통해 얇은 반도체 막의 다수 전하 운반자(majority carrier) 수를 증감 시킴으로써 반도체의 전기 전도도와 흐르는 전류의 세기를

4 조절할 수 있을 것이라는 장 효과 이론(field effect theory) 이었다(see Figure 4, 5). 즉, 쇼클리 이론의 핵심은 다수 전하 운반자의 농도 변화에 의한 전기 전도도의 변화이다. 하지만 전기장의 변화에 따른 표면 전기 전도도의 변화는 이론적인 예상치보다 매우 부족했으며 증폭기로의 구현은 번번히 실패했다. 쇼클리는 실패 원인 분석을 바딘에게 맡 겼고, 곧 바딘은 표면 상태(surface state)에 기반한 가설 로서 실패 원인을 설명했다. 결정 표면의 전하 운반자들이 반도체를 차폐(shielding)하고 있어서 외부 전기장이 얇은 반도체 내부에 있는 전하 운반자에 영향을 미치지 못한다 는 것이다. 바딘의 표면 상태 이론은 점 접촉 트랜지스터와 접합 트랜지스터, 1959년 발명된 MOSFET 등 이후 연구의 기반이 된다. [9] Fig. 5. The theory of a field-effect transistor using a thin layer of semiconductor (with no surface states): (a)입력 전압을 인가하지 않았을 때 (b)순전압을 인가하면 n형 반 도체의 표면에 전자가 유도되어 전기 전도도가 커진다 (c) 역전압을 인가하면 전기 전도도가 작아진다[ c 1984 IEEE]. 2. 바딘과 브래튼의 점 접촉 트랜지스터 Fig. 4. Circuit schematic for the modulation of conductance by the field effect : 입력 전압을 통해 반도체 외부 에 전기장을 걸어 주면 얇은 반도체(이 그림에서는 n-type) 막 내부의 다수 전하 운반자(이 경우 전자)들이 표면으로 유도되어 반도체 표면의 전기 전도도가 커진다. 이 전기 전도도의 변화가 출력 전류의 변화를 이끌어내 증폭기의 역할을 수행할 수 있다. 연구팀의 첫 과제는 표면 상태에 의한 전기 차폐를 무효 화하는 것이었다. 여기서 브래튼이 결정적인 발견을 한다. 브래튼은 여러 시도를 하던 중 실리콘 반도체를 전해액 속 에 가라앉히면 전해액의 이온이 표면의 전하 운반자들에 의한 차폐를 무효화시킬수 있다는 사실을 발견했다. 동시 에 바딘은 쇼클리의 구상처럼, 장 효과로 다수 전 운반자를 이용 전기 전도도를 조절하는 것이 효율적이지 않다고 생각 했다. 바딘은 쇼클리의 초기 구상과 전혀 다른, 소수 전하 운반자에 기반한 구조의 트랜지스터를 제안했고, 1947년 11월에 p형 실리콘을 이용한 모델로 소정의 증폭 효과를 확 인한다. 연구 도중 바딘과 브래튼은 저마늄(Germanium)을 양극 산화(anodize)시키면 전해액을 대체할 수 있음을 발견 한다. 더 좋은 증폭 효과를 위해 구성 물질과 환경을 바꾸는 시행 착오 끝에 그들 1947년 12월 n형 저마늄(Germanium) 에 화학적으로 형성된 역전층(inversion layer)을 이용한 반 도체 증폭기를 만들게 된다. 소수 전하 운반자(minority carrier)에 의한 전류에 기반한 첫 번째 반도체 증폭기의 탄생이었다. [9] Fig 6은 점 접촉 트랜지스터의 모식도(위)와 바딘과 브래 튼이 출원한 특허에 포함된 그림(아래)이다. 모든 전압을 인가하기 전의 저마늄[4] n-type이다. 베이스[2]와 이미터

5 구조로 특허를 출원한다. 그 직후 2월 같은 벨 연구소의 물리학자 샤이브(John Northrup Shive)가 행한 점 접촉 트랜지스터의 이미터와 컬렉터를 반도체의 반대편에 위치 시키는 실험에서 쇼클리는 기술한 현상이 존재함을 확인했 다. 즉, 반도체 내부로 소수 전하 운반자가 확산되어 전류가 흐를 수 있다는 가능성을 본 것이다. 쇼클리는 접합 반도체 증폭기가 이론적으로 가능함은 확인했으나 베이스 내부로 확산된 소수 전하 운반자가 이미터와 컬렉터 사이 연결을 만들 만큼 오래 생존하지 못하는 문제로 즉시 구현하지는 못했다. 쇼클리의 이론은 이후에 다른 과학자들의 연구로 부터 기술적인 도움을 받아 1951년 n-p-n형 접합 트랜지스 터가 구현된다. Fig 7은 쇼클리의 특허에 포함된 그림이다. 이미터에서 Fig. 6. Schematic representation of the semiconductor point-contact amplifier 전극[5] 사이에 순바이어스(forward bias)를 인가하면 이 미터 전극으로부터 소수 전하 운반자인 양공(hole)이 저마 늄으로 확산되어 얇은 p-type역전층[3](inversion layer)을 형성한다. 역바이어스(reverse bias)가 인가되어 전자의 과 잉 상태에 둘러싸여 있던 컬렉터 전극은 이 역전층을 통해 이미터로부터 전류가 흐를 수 있게 된다. 역전층 채널의 크기, 즉 저항은 이미터에 걸린 순바이어스의 크기에 의존 Fig. 7. Schematic representation of the semiconductor junction amplifier 하고 역전층 채널의 저항은 컬렉터에 도달하는 전압, 전류, 전력에 큰 영향을 준다. 이미터에 입력된 작은 신호가 컬 렉터에 큰 신호 도달하게 되는 증폭기의 역할을 수행할 수 있는 것이다. [7] [8] 3. 쇼클리의 접합 트랜지스터 무슨 이유에서인지, 바딘과 브래튼은 그들의 점 접촉 트 랜지스터 특허에 쇼클리의 이름을 넣지 않았고, 이것은 쇼 클리에게 큰 절망과 자극을 주었다. 쇼클리는 곧바로 더 나은 반도체 증폭기를 발명하기로 결심한다. 쇼클리는 점 접촉 트랜지스터가 발명되기 1주일 전에 이미 n-p-n 형태 의 접합 반도체 증폭기에 관한 구상을 해 놓은 상태였다. 이 접합 트랜지스터의 원리는 점 접촉 트랜지스터에 사용 된 물리적 원리를 넘어서는데, 이미터에서 나온 소수 전하 베이스로 전자가 진입하려면 p형 반도체의 불순물에 의해 형성된 퍼텐셜 장벽을 넘어야 한다. 베이스인 p형 반도체 의 두께가 충분히 얇다면 이 퍼텐셜 장벽이 높지 않다. 이 미터-베이스에 순바이어스를 인가하면 베이스에 양전위가 인가되어 양공이 쉽게 p형 반도체 안으로 흐른다. p형 반도 체 안으로 확산된 양공은 전자 입장에서의 퍼텐셜 장벽을 낮추고, 이것은 퍼텐셜 장벽을 넘어오는 전자의 흐름을 지 수함수적으로 증가시킨다. n형 반도체로부터 p형 반도체로 확산되어 나온 전자는 p형 반도체에서 흘러가는 도중, 베 이스-컬렉터에 인가된 역바이어스에 의해 컬렉터 쪽으로 가속된다. 이미터에서 컬렉터로 유입되는 전자 수가 바이 어스의 크기에 의해 지수함수적으로 결정되고, 전자 수는 곧 컬렉터에서 출력되는 전압과 전류, 전력에 직결된다. 즉, 바이어스로서 입력되는 신호가 컬렉터에서 큰 신호로 증폭 되어 출력되는 것이다. 이미터와 베이스 사이 전류는 다음 과 같이 주어진다. 운반자가 트랜지스터의 베이스 층에 이미 존재하는 다수 I = I0 (eqv /kt 1) 전하 운반자 속으로 확산되는 현상에 대한 이해가 필요하 이 때 I0 은 포화 상태의 전류, q는 전자의 전하량 절대값, V 는 이미터에 인가된 바이어스, k는 볼츠만 상수, T 는 절대 온도이다. [10] [11] 기 때문이다. 쇼클리는 이 현상에 대해 확신하지 못하고 있었으나, 우선적으로 1948년 1월 접합 반도체 증폭기의

6 REFERENCES 4. 트랜지스터 발명 이후 트랜지스터가 발명된 지 얼마 되지 않아 트랜지스터만의 우수성이 부각되었고, 트랜지스터는 곧 진공관의 왕위를 계 [1] J. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 1873 승했다. 바딘-브래튼의 점 접촉 트랜지스터는 그 효율성이 [2] H. Hertz, On Electromagnetic Effects Produced by 쇼클리의 접합 트랜지스터보다 좋지 않아 상용화되지 않았 Electrical Disturbances in Insulators, Sitzungsber. 다. 기존 진공관의 크기, 전력, 열, 수명 등 단점의 해결은 d. Berl. Akad. d. Wiss., 1887 소자의 소형화와 함께 기기의 소형화도 이끌어냈다. 크고 [3] HJ Schmitt, The Rise and Fall of the Vacuum- 무거워 들고 다니기 힘들었던 라디오는 배터리로 작동하며 Tube, Overview IHF Museum, RWTH-Aachen, 주머니에 들어가는 사이즈가 되었고, 집 한채 면적을 전부 2005 차지하던 컴퓨터는 점차 소형화되어 대중들에게 개인 컴 [4] IEEE, Crystal radio detector [ cat s whisker ]: the 퓨터로서 자리잡게 되었다. 현재까지 이어지는 트랜지스터 first wireless device, IEEE Circuits and Devices 시대가 열린 것이다. Magazine, Volume: 17, Issue: 2, March 2001 [5] J. A. Fleming, On Electric Discharge Between Elec- IV. 결론 19세기 후반부터 시작된 전자공학의 시대는 20세기를 전기와 후기로 나누어 지배한 진공관과 트랜지스터를 거쳐 오늘날까지 이어지고 있다. 전자기파의 발견으로부터 이를 통신에 적용하려 한 마르코니의 창의성, 지나칠 만한 발견 으로부터 위대한 발명을 해낸 플레밍의 재치, 대단한 발명 품에 위축되지 않고 오히려선 2년 만에 그것을 개선하여 내놓은 포리스트의 세밀함, 기존의 이론과 방식을 과감히 포기하고 새로운 소자를 창조한 바딘과 브래튼의 대담함, trodes Temperatures in Air and High Vacua, Proceedings of the Royal Society 47: 118-126, 1890 [6] IEEE, The Audion- detector and amplifier, Proceedings of the IEEE, Volume: 86, Issue: 9, 1998 [7] J. Bardeen and W. Brattain, The Transistor, A Semi-Conductor Triode, Physics Review, Volume: 74, 230-231, 1948 [8] H. R. Huff, JOHN BARDEEN and TRANSISTOR PHYSICS, CHARACTERIZATION AND METROLOGY FOR ULSI TECHNOLOGY 2000. 동료들의 배신에도 이를 원동력 삼아 더 위대한 발명을 해 낸 쇼클리의 투지, 지난 백년간의 전자공학 역사에는 이 논 AIP Conference Proceedings, Volume: 550, 3-32, 문에서 다룬 굵직한 인물들과 함께 미처 다루지 못한 과학 [9] M. Riordan, L. Hoddeson and C. Herring, The 자와 발명가들의 위대한 업적들이 담겨 있다. 거인의 어깨 invention of the transistor, Reviews of Modern 위에 올라섰던 난쟁이들은 오늘날의 우리들을 위해 거인의 Physics, Volume: 71, No. 2, Centenary, 1999 어깨가 되었다. 2001 [10] W. Shockley, The Theory of p-n Junctions in Semi- 컴퓨터로 대표되는 현대의 문명은 트랜지스터가 있기에 성 conductors and p-n Junction Transistors, Bell Labs 립한다. 만약 진공관을 개선하고자 하는 전 시대 사람들의 Technical Journal, Volume: 28, Issue 3, 435 489, 의지가 없었다면 트랜지스터는 탄생하지 못했을 것이다. 1949 인류는 트랜지스터라는 벽돌로 50년 넘게 문명을 지어 오 [11] W. Shockley, The Path to The Conception of The 고 있다. 진공관이 50년 후 트랜지스터로 발전되었듯이, Junction Transistor, IEEE Trans. Electron De- 현재의 트랜지스터도 발전하는 것이 바람직할 것이다. vices, ED-23, 597-620, 1976