1950년 10월 3일, 벨 연구소Bell Labs 과학자 세 명이 트랜지스터 시대와 현대 컴퓨팅 시대 서막을 연 “3전극 회로 소자three-electrode circuit element”, 곧 트랜지스터transistor에 대한 특허를 받았다.

획기적 사건: 트랜지스터 특허 취득
날짜: 1950년 10월 3일
장소: 벨 연구소; 뉴저지주 머레이 힐Murray Hill
발표자: 존 바딘John Bardeen, 월터 브래튼Walter Brattain, 윌리엄 쇼클리William Shockley

존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리는 그 2년 전에 “반도체 재료를 활용한 3전극 회로 소자three-electrode circuit element utilizing semiconductor materials”에 대한 특허를 출원했으며, 이 기술의 전체적인 중요성이 명확해지는 데는 몇 년이 더 걸렸다.

트랜지스터는 AT&T가 전화망을 개선하고자 처음 설계되었다.

당시 AT&T는 3극 진공관triodes을 사용하여 전화 신호를 증폭하고 전송했다. 이 장치는 양극과 음극 단자positive and negative terminal , 그리고 와이어 메시wire mesh를 진공관vacuum tube에 넣어 전자가 공기 분자와 부딪히지 않고 흐를 수 있도록 했다.

하지만 3극 진공관은 전력 소모가 심하고 종종 과열되었기 때문에 1930년대에 벨 연구소 사장 머빈 켈리Mervin Kelly는 대안을 모색하기 시작했다.

그는 절연체와 도체 사이의 전기적 특성을 가진 반도체의 잠재력에 매료되었다.

1925년, 줄리어스 릴리엔펠트는 트랜지스터의 반도체 전구체에 대한 특허를 취득했지만, 이 장치는 신뢰할 수 없는 황화구리를 사용했고, 그 기저의 물리적 원리는 제대로 이해되지 않았다.

제2차 세계 대전 말, 연구소가 군수 기술에서 벗어나 연구 초점을 전환하면서 켈리는 쇼클리가 이끄는 팀을 모집하여 진공관 3극 진공관의 대체물을 개발했다.

팀은 실리콘을 뜨거운 보온병에 넣는 등 여러 실험을 수행했지만, 성공률은 미미했다. 문제는 증폭 효과가 크지 않았다는 점이었다.

1947년, 브래튼과 바딘은 실리콘에서 게르마늄으로 전환하여 반도체에서 작용하는 물리 현상을 명확히 하는 데 기여했다.

그들의 연구는 작은 스프링으로 두 개 얇은 금박 조각을 게르마늄 판 위에 누르는 “점 접촉point-contact” 트랜지스터로 이어졌다.

주목할 점은 이 초기 트랜지스터를 작동시키는 데 상당한 기술이 필요했다는 것이다.

브래튼은 신호를 100배 증폭시키는 인상적인 결과를 얻기 위해 트랜지스터를 “정확히” 움직여야 했다.

1948년, 쇼클리는 이 설계를 바탕으로 나중에 접합 트랜지스터junction transistor라고 불리는 기술을 개발했는데, 이 특허는 이후 대부분의 현대 트랜지스터 기반이 되었다.

특허에 따르면, 이 기술 핵심은 반도체에 전압을 인가하면 전자가 물질 내에서 이동하여 양전하를 띤 “정공holes”을 남긴다는 것이다.

따라서 “N형” 또는 “P형” 반도체, 즉 음전하 또는 양전하가 과도하게 흐르는 영역을 생성할 수 있다.

금속 전극이 반도체에 접촉하면 전류는 N형 물질에 닿으면 한 방향으로 흐르고, P형 물질에 닿으면 반대 방향으로 흐른다고 특허는 명시하고 있다.

접합 트랜지스터는 세 개 전극이 부착된 반도체의 이러한 특성을 활용한다.

인가되는 전압과 전극 및 반도체의 특성을 변경함으로써 전류를 안정적으로 증폭할 수 있다. 이러한 증폭은 곧 라디오, 텔레비전, 전화망에서 매우 중요한 역할을 하게 된다.

하지만 증폭이 현대 컴퓨팅 시대를 연 것은 아니다. 오히려 접합 트랜지스터는 작고 안정적이며 저전력의 “켜짐-꺼짐” 스위치였으며, 발열도 거의 없었다.

초기 컴퓨터의 스위치는 진공관이었고, 트랜지스터는 그보다 훨씬 더 나은 켜짐-꺼짐 스위치였을 뿐이다.

쇼클리는 악명 높은 악덕 상사(그리고 우생학자이자 인종차별주의자)였다. 핵심 연구자들은 각자의 길을 갔고, 바딘은 일리노이 대학교로 옮겼으며 쇼클리는 현대 실리콘 밸리 반도체 산업의 토대를 마련하는 데 기여했다.

이 세 사람은 “트랜지스터 효과transistor effect” 연구로 1956년 노벨 물리학상을 수상했다.

몇 년 후, 벨 연구소에서 쇼클리 밑에서 잠시 일한 물리화학자 모리스 타넨바움Morris Tanenbaum이 최초의 실리콘 트랜지스터를 발명했다.

1959년, 텍사스 인스트루먼트Texas Instruments의 잭 킬비Jack Kilby는 현대 컴퓨터 칩 기반이 된 최초의 집적 회로에 대한 특허를 출원했다. 그리고 1960년대 초, 진공관 컴퓨터는 기능적으로 사라졌다.

1968년, 인텔 창립자 고든 무어Gordon Moore는 한 강연에서 트랜지스터가 소형화하고 칩의 성능이 예측 가능한 속도로 두 배로 향상되고 있다고 언급했다. 이는 무어의 법칙Moore’s law 시대를 열었고, 이 법칙은 이후 40년 동안 지속되었다.

하지만 무어의 법칙은 이제 더 이상 유효하지 않고 AI는 점점 더 강력한 컴퓨팅을 요구함에 따라, 과학자들은 큐비트 또는 “양자 비트”에 여러 양자 상태를 인코딩할 수 있는 양자 컴퓨터가 컴퓨팅의 차세대를 열 것이라고 확신하고 있다.