AI, 반도체, 칩, GPU 같은 단어는 이제 투자 뉴스에서 빠지지 않는 키워드가 되었습니다.
하지만 이 단어들을 따라가다 보면, 결국 가장 단순한 질문으로 되돌아오게 됩니다.
“반도체란 도대체 무엇인가?”
이 질문은 단순한 정의 문제가 아닙니다.
반도체를 이해한다는 것은, 인류가 전기를 어떻게 다루기 시작했고,
왜 지금과 같은 기술·산업 구조에 도달했는지를 이해하는 일에 가깝습니다.
전기는 처음부터 ‘계산’을 위해 쓰이지 않았다
전기가 처음 사용되던 목적은 매우 단순했습니다.
이 시기의 전기는 수도관의 물과 같았습니다.
밸브를 열면 흐르고, 닫으면 멈춥니다. 켜짐과 꺼짐, 그 이상도 이하도 아니었습니다.
하지만 기술이 발전하면서 사람들은 점점 다른 요구를 하기 시작합니다.
사람이 직접 스위치를 누르지 않아도 상황에 따라 자동으로 정해진 규칙에 맞게 전기가 움직이기를 원했습니다.
이 순간부터 전기는 단순한 에너지가 아니라 제어의 대상이 됩니다.
스위치와 저항은 ‘전기를 다루기 위한 최소 도구’였다
가장 먼저 등장한 개념은 스위치였습니다. 전기를 흐르게 하거나, 차단하는 장치입니다.
이 단순한 장치는 매우 중요한 의미를 가집니다. 왜냐하면 스위치는 전기에 처음으로 선택이라는 개념을 부여했기 때문입니다.
그 다음으로 등장한 것이 저항입니다. 저항은 전기를 막기 위한 장치가 아니라, 전기의 흐름을 조절하기 위한 장치입니다.
전기가 너무 많이 흐르지 않게 하고 회로를 보호하며 일정한 동작을 가능하게 합니다.
이 시점까지 전기는 ‘켜고 끄고, 조금 조절하는 대상’이었습니다.
하지만 아직 판단은 하지 못했습니다.
반도체란 무엇인가
여기서 반도체라는 개념이 등장합니다.
반도체는 이름 그대로 전기가 항상 잘 흐르는 도체도 아니고, 전혀 흐르지 않는 절연체도 아닌 중간 성질을 가진 물질입니다.
이 애매한 성질이 핵심입니다. 반도체는 외부 조건에 따라 전기의 흐름이 크게 달라집니다.
전압을 어떻게 주느냐에 따라, 내부 구조를 어떻게 설계하느냐에 따라, 전기장이 걸리느냐에 따라 전기가 흐르기도 하고, 거의 흐르지 않기도 합니다.
이 때문에 반도체는 설계할 수 있는 물질이 됩니다.
전자와 정공
반도체 내부에서 실제로 이동하는 입자는 전자입니다. 전자는 음전하를 띠고 있습니다.
전자가 자리에서 이동하면 어떤 일이 벌어질까요? 그 자리는 단순히 비어 있는 상태가 아니라, 음전하가 빠진 상태가 됩니다.
전기적으로 보면, 이는 양전하가 있는 것과 같은 효과를 냅니다.
전자공학에서는 이 ‘양전하와 같은 전기적 효과를 가진 상태’를 하나의 이동 주체로 정의하고, 이를 정공(hole)이라고 부릅니다.
정공은 새로운 입자가 아닙니다. 전자가 이동하면서 생기는 전기적 효과를 설명하기 위한 개념입니다.
이 개념 덕분에 반도체 내부의 전류 흐름은 훨씬 단순하고 일관되게 설명될 수 있습니다.
p형과 n형
반도체의 또 다른 중요한 특징은, 아주 소량의 불순물을 섞는 것만으로 성질이 크게 바뀐다는 점입니다.
- 전자가 남도록 설계하면 n형 반도체
- 전자가 부족해 정공이 많아지면 p형 반도체
이렇게 반도체는 전류를 운반하는 주체가 무엇인지조차 의도적으로 설계할 수 있습니다.
이 지점에서 반도체는 단순한 재료가 아니라, 기능을 가진 구조물이 되기 시작합니다.
p-n 접합과 다이오드
p형과 n형 반도체를 맞붙이면, 전기는 아무 방향으로나 흐르지 않게 됩니다.
한쪽 방향에서는 잘 흐르고, 반대 방향에서는 거의 흐르지 않습니다.
이 p-n 접합의 성질을 이용해 만든 소자가 다이오드입니다.
다이오드는 전기를 판단하지는 않지만, 전기가 흐를 수 있는 방향을 처음으로 구조적으로 제한한 발명이었습니다.
이는 이후 전력 제어와 신호 처리의 출발점이 됩니다.
트랜지스터
전기를 한쪽 방향으로 흐르게 하는 것만으로는 충분하지 않았습니다. 사람들은 이렇게 묻게 됩니다.
“전류가 흐를지 말지를, 또 다른 전기 신호로 결정할 수는 없을까?”
이 질문에 대한 답이 바로 트랜지스터입니다.
트랜지스터는 p형과 n형 반도체를 의도적으로 조합해 만든 구조물입니다.
다이오드가 p형과 n형을 한 번만 맞붙여 ‘방향’을 만들었다면, 트랜지스터는 p형과 n형을 세 층으로 배치해 전류의 흐름 자체를 통제합니다.
이 세 층 구조는 두 가지 방식으로 만들어질 수 있습니다.
- NPN 구조: n형 – p형 – n형
- PNP 구조: p형 – n형 – p형
배치 순서만 다를 뿐, 핵심 원리는 동일합니다. 가운데에 위치한 영역이 매우 얇게 설계되어 있으며, 이 부분에 작은 전기 신호를 주면 전체 전류의 흐름이 크게 바뀝니다.
이 구조 덕분에 트랜지스터에는 항상 세 가지 역할이 존재합니다.
- 전류가 실제로 들어오는 쪽
- 전류가 빠져나가는 쪽
- 그 사이에서 흐름을 허락하거나 막는 제어 영역
중요한 점은, 제어 영역에 들어가는 신호는 매우 작아도 충분하다는 사실입니다.
아주 작은 전기 신호가 p형·n형 구조 내부의 전하 분포를 바꾸고, 그 결과 원래 흐르지 않던 전류가 흐르거나, 흐르던 전류가 완전히 차단됩니다.
즉 트랜지스터는 “전류가 흐를 수 있는 길은 미리 만들어 두고, 그 길을 열지 말지를 또 다른 전기로 결정하는 장치”라고 이해하시면 됩니다.
시간이 지나며 트랜지스터는 더 발전해, 오늘날에는 전기장을 이용해 p형·n형 구조 위에 전류가 흐를 ‘길’을 만들거나 없애는 방식이 주로 사용됩니다. 형태는 달라졌지만, p형·n형 반도체를 조합해 판단을 만든다는 본질은 변하지 않았습니다.
이 발명으로 전기는 단순히 흐르는 존재가 아니라, 조건에 따라 스스로 판단하는 존재가 되었습니다.
트랜지스터는 전기를 빠르게 만든 기술이 아니라, 전기를 판단하게 만든 기술이었습니다.
왜 반도체는 산업의 핵심이 되었는가
정리하면 반도체는 전기를 쓰기 위한 재료가 아니라 전기를 통제하기 위한 기술의 집합입니다.
이 통제 능력은 계산을 가능하게 만들었고 자동화를 가능하게 했으며 오늘날 AI까지 이어졌습니다.
그래서 반도체는 단순한 부품 산업이 아니라, 현대 기술과 자본이 반드시 거쳐야 하는 기반 산업이 되었습니다.