반도체 소재의 발견부터 트랜지스터 발명까지
반도체 물리학에 혁명의 바람을 몰고 온 이론들과 그 과학자들!

★ 전국과학교사모임 추천
★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서
★ 노벨상 수상자 논문 영문본 수록

고체물리학 연구부터 트랜지스터 발명까지!
반도체 물리학은 어떻게 발전해왔을까?

트랜지스터 발명으로 바딘, 브래튼, 쇼클리가 노벨상을 공동 수상하기까지 고체물리학과 반도체 물리학에 얽힌 다양한 이야기와 역사를 살펴본다. 고체에 관한 고대 과학자들의 생각과 에너지 밴드이론, 페르미 디랙 통계이론 등과 함께 반도체를 이용한 트랜지스터가 나오기 전에 발명된 진공관, 트랜지스터 발명에 이르기까지 반도체 물리학에 혁명을 몰고 온 이론들과 과학자들의 연구 성과를 낱낱이 풀어냈다. 저자를 대변하는 정교수와 독자의 입장에서 정교수에게 질문을 던지는 물리양의 대화 형식을 빌려 풀어나가는 반도체 물리학은 일대일 수업을 듣는 듯 친절하고 흥미진진하며, 지루할 틈 없는 촘촘한 이야기들로 짜여 있다. <노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학> 시리즈 열 번째 책인 이 책에는 많은 과학자가 등장한다. 그들의 출생 과정과 시대 배경, 과학에 흥미를 느끼게 되는 계기, 연구 과정에서 맞부딪친 좌절과 고난, 마침내 거머쥐게 되는 탁월한 연구 성과와 그 의미 등은 과학에 문외한이었던 이들까지 끌어들일 만큼 흡인력이 있다. 과학자들의 생애를 훑는 과정에는 그들의 실제 모습과 관련 사진을 수록해 독자들의 이해를 돕는다. 본문에 이어 아인슈타인의 고체비열, 보즈와 페르미의 논문, 바딘과 브래튼의 트랜지스터 발명에 관한 논문 원문과 함께 노벨 물리학상과 화학상 수상자 목록을 수록해 더 깊은 탐구의 세계로 이끈다.

[목 차]

 

추천사

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며

트랜지스터 발명을 가져온 삼총사는 누구? _ 노벨 물리학상 받은 킬비 박사 깜짝 인터뷰

 

첫 번째 만남 : 반도체 소재의 발견

가지가지 고체 _ 금속, 광물, 세라믹으로 불리는 고체들

반도체를 이루는 물질 _ 규소와 저마늄, 이산화규소

재미있는 물질, 지르코니아 _ 천연다이아몬드의 모조품

액정의 발견 _ 라이니처에서 드 젠까지

뒬롱-프티의 법칙 _ 고체비열을 공동으로 연구하다

이안슈타인의 고체비열 공식 _ 노벨상의 영광은 디바이에게

실리콘과 저마늄의 발견 _ 도체도 부도체도 아닌

 

두 번째 만남 : 에너지 밴드

양자역학의 탄생 _ 입자와 파동의 성질을 동시에

고체물리와 양자역학을 연결하다 _ 네 명의 과학자들

에너지 밴드와 밴드갭 _ 허용 영역과 금지 영역

전자와 정공의 유효질량 _ 반도체에 전기장을 걸어주면?

 

세 번째 만남 : 페르미 디랙 통계

양자통계역학 _ 양자역학과 통계물리학의 만남

보즈-아인슈타인 통계 _ 아인슈타인에게 보낸 편지

페르미 디랙 통계 _ 총 경우의 수를 최대치로 하려면?

 

네 번째 만남 : 반도체이론

자유전자의 양자 상태 밀도 _ 에너지의 제곱근에 비례

페르미 디랙 분포함수 _ 온도와 페르미 확률밀도함수의 상관관계

반도체의 기본 관계식 _ 유효상태 밀도함수란?

진성반도체와 외인성반도체 _ n형 반도체, p형 반도체

 

다섯 번째 만남 : 진공관의 시대

진공관 다이오드의 발명 _ 교류를 직류로 변환하다

플레밍 밸브와 마르코니의 무선전신 _ 대서양을 횡단하라

반도체 다이오드 _ p-n 접합을 발명한 러셀 올

 

여섯 번째 만남 : 트랜지스터의 발명

트랜지스터 시대를 연 사람들 _ 켈리, 바딘, 쇼클리, 브래튼

점접촉 트랜지스터의 발명 _ 입력 신호를 100배로 증폭시키다

금속산화막 반도체 장효과 트랜지스터_ 아탈라와 강대원 박사

집적회로의 발명 _ 킬비와 노이스

 

만남에 덧붙여

Planck’s Theory of Radiation and The Theory of Specific Heat

_ 아인슈타인 논문 영문본

Planck’s Law and The Light Quantum Hypothesis

_ 보즈 논문(1924) 영문본

On Quantizing an Ideal Monatomic Gas

_ 페르미 논문 영문본

The Transistor, A Semi-Conductor Triode

_ 바딘-브래튼 논문 영문본

Semiconductor Research Leading to the Point Contact Transistor

_ 바딘 노벨상 수상 연설 영문본

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 논문들

수식에 사용하는 그리스 문자

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

노벨 화학상 수상자들을 소개합니다

 

[본 문]

 

규소는 반도체의 대표적인 소재이다. 반도체란 전기를 통하는 도체와 전기를 통하지 않는 부도체의 중간적인 물질을 말한다. 그래서 샌프란시스코의 반도체 기업이 밀집한 지대를 ‘실리콘밸리’라고 부른다. 규소 결정은 반도체의 재료 중 하나인 웨이퍼를 만드는 데 사용된다. 웨이퍼는 얇게 구운 빵이나 쿠키 사이에 잼이나 쿠키를 바른 과자를 말한다.

_ 31쪽

 

미국에 이민한 디바이는 분명 기회주의자였다. 디바이는 정권을 잡은 정치 체계가 나치 독일이든, 미국이든 상관없이 충성을 바쳤다. 다만, 디바이는 항상 탈출구를 마련해두었다. 나치 독일에서는 네덜란드 국적을 유지하였고, 미국에서는 나치 독일 외교부와 비밀리에 접촉하였다.

_ 53쪽

 

맨해튼 프로젝트가 진행되는 동안 가장 건전한 조언을 제공할 수 있다고 생각되는 사람들과의 가장 신중한 고려와 토론 끝에 중요한 결정이 내려졌다. 이 작전에는 오펜하이머, 폰 노이만, 페니, 파슨스 및 램지가 참여했다.

_ 75쪽

 

존경하는 아인슈타인 선생님, 귀하의 정독과 의견을 위해 제가 쓴 논문을 보내드리게 되었습니다. 당신이 그것에 대해 어떻게 생각하는지 알고 싶습니다. 나는 이 논문을 번역할 만큼 충분한 독일어를 모릅니다. 논문을 출판할 가치가 있다고 생각하시면 『자이츠크리프트 퓌르 피지크(Zeitschrift für Physik)』에 실리도록 해주시면 감사하겠습니다.

_ 101쪽

 

1895년 여름, 마르코니는 볼로냐에 있는 아버지의 사유지에서 전파의 수신 거리를 3.2km까지 늘렸다. 이탈리아에서는 자신의 작업에 대해 사람들이 관심을 두지 않는 것을 안 마르코니는 1896년 초, 21세의 나이에 그의 작업에 대한 지원을 받기 위해 어머니와 함께 런던으로 갔다.

_ 167쪽

 

1944년에 쇼클리는 B-29 폭격기 조종사들이 새로운 레이더 폭탄 조준경을 사용할 수 있도록 훈련 프로그램을 만들었다. 1944년 후반에 그는 결과를 평가하기 위해 3개월간 전 세계 기지를 순회했다. 1945년 7월 정부는 쇼클리에게 일본 본토 침공으로 인한 사상자 가능성에 관한 보고서를 준비할 것을 요청했고 쇼클리는 일본의 사망자 수를 40만 명에서 80만 명 정도로 예측했다.

_ 188쪽

 

1935년경 벨 연구소 진공관 연구부장인 켈리는 점점 늘어나는 미국에서의 전화 수요에 대처하는 방안을 모색하고 있었다. 전화의 음성 신호를 케이블을 통해 전송하면 신호가 점점 약해져서 잘 들리지 않는 문제가 있었다. 켈리는 음성 신호를 증폭하는 방법을 생각했고 이를 위해 진공관을 이용했다. 하지만 미국 대륙은 어마어마하게 넓었고 엄청난 길이의 케이블에 진공관 증폭기를 설치하려면 엄청나게 많은 양의 진공관이 필요했다.

_ 190쪽

 

강대원 박사가 개발한 플로팅 게이트로 인해 38년 후인 2005년 독일의 세계적인 필름업체 아그파가 창립 140주년 만에 도산했다. 플로팅 게이트 기술로 낸드플래시가 개발됐고 이를 탑재한 디지털카메라의 등장이 필름 수요를 줄였기 때문이었다. 낸드플래시는 우리나라 반도체 산업의 효자상품 중 하나이다. 이것은 한번 저장하면 전원을 끄더라도 데이터가 사라지지 않아 MP3 플레이어 등 다양한 전자 제품의 저장 장치로 활용된다.

_ 209쪽

 

1958년 중반, 텍사스 인스트루먼츠(TI)에 새로 입사한 킬비는 여름 휴가를 쓸 수 없었다. 그는 여름 내내 회로 설계 문제를 연구하면서 보냈고, 마침내 단일 반도체 재료로 회로 부품을 대량으로 제조하면 해결책을 제공할 수 있다는 결론에 도달했다. 즉 그는 집적회로를 발명한 것이다. 그해 9월 12일에 그는 회사 경영진에게 자신이 발견한 내용을 보고했다.

_ 215~216쪽

 

노이스가 인텔에 가져온 편안한 문화는 페어차일드 반도체 회사에서의 그의 스타일을 이어받은 것이다. 그는 직원들을 가족처럼 대하고 팀워크에 대해 보상하고 격려했다. 노이스의 경영 스타일은 ‘소매 걷어붙이기’라고 할 수 있다. 그는 모든 사람이 기여하고 누구도 호화로운 혜택을 받지 못하는, 덜 구조적이고 편안한 작업 환경을 선호하기 위해 멋진 회사 차량, 예약된 주차 공간, 개인용 제트기, 사무실, 가구를 피했다.

_ 220~221쪽

남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)
저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다. 이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

정형식(EBS 강사, 하나고 물리학 교사)
이 책은 지금 컴퓨터의 시대를 살아가고 있는 우리에게 있어서 매우 익숙한 단어, 반도체에 관한 이야기와 그 연구에 관한 이야기입니다. 고등학교 물리학 교과서에서도 등장하는 내용이 바로 반도체입니다. 전류가 잘 흐르는 도체, 전류가 잘 흐르지 않는 부도체 사이에서 전류가 애매하게 흐르는 이 반도체가 우리 실생활에 막강한 영향력을 끼치게 된 것은 바로 진공관을 대체하여 증폭작용과 스위칭작용을 했던 트랜지스터의 발명 때문이었습니다. 트랜지스터를 발명한 삼총사로 불리는 바딘, 브래튼, 쇼클리 박사님들의 생생한 이야기와 관련 논문들에 대한 설명을 흥미롭게 듣게 되었습니다. (중략) 이 책의 독자들 역시 저처럼 책장을 넘기면서 논문 하나하나를 알아가며 물리의 발전을 깨닫게 되며 얻는 통쾌함과 두근거림을 느낄 수 있을 것입니다. 또한 나아가 독자들이 실제 논문을 읽어가며 이 책을 다시 읽는 것도 정말 멋진 도전이라고 생각합니다.