모든 스위치, 모든 논리 게이트, 모든 데이터 펄스는 눈 깜짝할 사이에 보이지 않을 정도로 작은 곳에서 시작됩니다.
칩 내부에는 수십억 개의 트랜지스터가 눈 깜짝할 사이보다 빠르게 계속 켜지고 꺼지기를 반복합니다.
움직이는 부품이나 불꽃으로 작동하는 것이 아니라 보이지 않는 전기장과 재료 사이의 작은 경계로만 작동합니다.
이러한 과정은 이론적 계산으로 예측 가능하지만 결코 간단하지 않습니다.
트랜지스터가 어떻게 전환되는지 이해하려면 p가 n과 만나고 전하가 흐르지 않고 전압이 최종적으로 "이동"하는 경계선에서 무슨 일이 일어나는지 확인해야 합니다.
PN 교차로
PN 접합은 너무 간단해 보이는 아이디어 중 하나입니다.
한쪽에는 구멍으로 가득 찬 p형 실리콘이 있습니다.
다른 한쪽에는 자유 전자로 가득 찬 n형 실리콘이 있습니다.
전자는 만나면 평화롭게 섞이지 않습니다.
전자는 표류하여 구멍을 채우고 고정된 전하를 남깁니다.
이러한 작은 불균형으로 인해 전기장이 생성되어 이동하는 전하는 없지만 전위가 가득한 고갈 영역이 형성됩니다.
이는 내장된 장벽처럼 작용하여 한 방향으로 전류를 차단하고 다른 방향으로 전류를 통과시킵니다.
이것이 바로 다이오드가 작동하는 방식이며, 트랜지스터라는 장치를 가능하게 하는 이유이기도 합니다.
휴대폰의 모든 스위치는 이 작은 전하 운반자 간의 경계 전쟁에 의존합니다.
균형과 흐름 사이의 끊임없는 줄다리기입니다.
공핍 영역
고갈 영역은 단순히 빈 공간이 아니라 실제로 이야기가 일어나는 곳입니다.
전압을 얼마나 많이 가느냐에 따라 확장되거나 축소됩니다.
순방향 바이어스는 전류를 통과시켜 이 영역을 좁힙니다.
역방향 바이어스는 흐름을 거의 완전히 차단합니다.
이러한 간단한 동작이 전자 제어의 기초입니다.
MOSFET에서는 게이트 산화물 아래에 유사한 영역이 형성되는데, 이는 동일한 아이디어의 현장 유도 버전입니다.
엔지니어들은 몇 나노미터의 차이로도 트랜지스터의 동작 방식을 바꿀 수 있기 때문에 폭, 깊이, 균일성을 조정하는 데 수년을 소비합니다.
장치가 작아질수록 이 영역을 제어하는 것이 더 어려워졌습니다.
누출이 나타났습니다.
임계값이 변경되었습니다.
그럼에도 불구하고 여전히 50년 전과 같은 원리입니다.
전하를 밀어내는 것과 억제하는 것, 전기를 통과시키는 것과 가만히 두는 것 사이의 균형입니다.
임계 전압
모든 트랜지스터에는 아무 일도 일어나지 않다가 갑자기 모든 것이 일어나는 지점이 있습니다.
이것이 임계 전압입니다.
그 아래에서는 채널이 꺼져 있습니다.
그 위에서는 전자가 게이트가 흔들리는 것처럼 넘쳐납니다.
그 숫자를 맞추는 것은 생각보다 어렵습니다.
도핑 수준, 산화물 두께, 온도, 심지어 게이트 물질에 갇힌 전하까지 모두 임계값에 영향을 미칩니다.
너무 낮으면 트랜지스터가 켜지지 않아야 할 때 켜지게 됩니다.
반대로 너무 높은 상태라면 켜기 위해 더 많은 전력이 필요합니다.
엔지니어들은 속도와 안정성 사이의 완벽한 균형을 쫓기 위해 이를 계속해서 조정합니다.
임계 전압은 고정된 것이 아니라 시간이 지남에 따라 스트레스와 함께 이동합니다.
이것이 바로 1초에 10억 번이나 작동할 수 있을 만큼 보이지 않는 것을 안정적으로 유지하는 과제의 일부입니다.
트랜지스터 스위칭에는 이상하도록 철학적인 무언가가 있습니다.
아무것도 움직이지 않지만 모든 것이 달라집니다.
실리콘 내부의 경계, 즉 PN 접합부, 고갈 영역, 보이지 않는 임계값이 현대 생활의 리듬을 결정합니다.
초당 수십억 번, 켜거나 꺼지거나 예 또는 아니오라고 말하면 세상이 반응합니다.
방정식은 명확하지만 아름다움은 그 아래의 혼돈에도 불구하고 모든 것이 얼마나 안정적으로 느껴지는지에 숨겨져 있습니다.
사람들은 가장 불확실한 것, 즉 전하에서 이러한 정확성을 구축했습니다.
그래서인지 누군가가 충분히 자세히 보면 가장 작은 경계도 의미를 가질 수 있다고 믿었기 때문일 것입니다.