[Chapter 0] Introduction - MOS 트랜지스터와 게이트

프로그램이 실행되는 동안 CPU 내부적으로는 무슨 일이 일어나고 있을까? 이것을 이해하는 게 우리의 최종 목표이다. 이를 위해서는 CPU를 이루는 가장 작은 단위의 부품부터 알아야 한다. 이 책에서는 CPU의 가장 밑바닥을 이루는 부품으로서 MOS 트랜지스터를 소개하고 있다. MOS 트랜지스터를 이용하여 흔히들 알고 있는 NOT, AND, OR 등의 게이트를 만들게 되고, 그러한 게이트들을 다시 여러 방식으로 조립하여 최종적으로는 CPU라는 거대한 하드웨어를 만들게 된다. 이번 포스팅에서는 MOS 트랜지스터와 그것들로 만들어지는 게이트에 대해 간략하게 한 번 알아보도록 할 것이다.

 

1. MOS 트랜지스터 (Metal-Oxide-Silicon Transistor)

이 책에서 소개하는 CPU의 가장 밑바닥을 이루는 부품은 바로 MOS 트랜지스터이다. MOS 트랜지스터는 N 타입과 P 타입이 존재하며, P 타입의 경우 N 타입과 완전히 반대이기 때문에 N 타입 MOS 트랜지스터로 설명을 대신한다. N 타입 MOS 트랜지스터는 다음과 같은 구조를 가지고 있다.

 

 

MOS는 Metal-Oxide-Silicon의 약칭이다. Metal은 그림에서 Gate라고 표시된 부분이며, 전류가 흐를 수 있는 금속 물질로 되어 있다. Oxide는 Gate 바로 아래에 위치한 부분으로, 전류가 흐를 수 없는 절연체로 되어 있다. 그리고 Silicon은 나머지 부분을 이루는 N 타입 반도체와 P 타입 반도체를 가리킨다. 위 그림은 N 타입 MOS 트랜지스터를 나타내는 것으로, [N 타입 반도체 - P 타입 반도체 - N 타입 반도체]로 구성되어 있다. P 타입 MOS 트랜지스터는 이와 반대로 [P 타입 반도체 - N 타입 반도체 - P 타입 반도체]로 구성되어 있다.

 

Oxide는 절연체이기 때문에 평소에는 Source와 Drain 사이에 전류가 흐를 수 없다. 하지만 Gate에 양의 전압을 가하면 P 타입 반도체에 존재하는 소수의 자유 전자들이 위쪽으로 몰리게 되면서 Source와 Drain 사이에 전류가 흐를 수 있는 통로가 형성이 된다. 이렇듯 Gate에 1의 신호를 가하면 전류가 흐르고 Gate에 0의 신호를 가하면 전류가 흐르지 못한다는 측면에서, MOS 트랜지스터는 마치 스위치와 같이 동작한다고 볼 수 있다. P 타입 MOS 트랜지스터는 이와 반대로 동작한다.

 

※ N 타입 반도체, P 타입 반도체

14족 원소(최외각 전자 4개)로만 이루어진 순수한 반도체를 진성 반도체라 한다. 여기에 15족 원소(최외각 전자 5개)를 첨가하면 자유 전자가 생겨서 전류가 흐를 수 있게 되는데, 이를 N 타입 반도체라고 한다. 반면에 13족 원소(최외각 전자 3개)를 첨가하면 전자가 비어있는 공간(양공)을 채우기 위해 이리저리 움직이게 되면서 전류가 흐를 수 있게 되는데, 이를 P 타입 반도체라고 한다. 단, N 타입 반도체라고 해서 양공이 없는 것은 아니며, P 타입 반도체라고 해서 자유 전자가 없는 것은 아니다. N 타입 반도체의 경우 자유 전자가 양공보다 훨씬 많기 때문에 양공은 소수 캐리어가 되며, P 타입 반도체의 경우 양공이 자유 전자보다 훨씬 많기 때문에 자유 전자가 소수 캐리어가 된다. 위의 내용을 이해하기 위해서는 P 타입 반도체도 소수의 자유 전자가 있음을 기억하자.

 

참고로 회로 도식에서 N 타입 MOS 트랜지스터와 P 타입 MOS 트랜지스터는 각각 다음과 같이 표기한다.

 

 

2. 게이트 (Gate)

MOS 트랜지스터가 CPU를 이루는 가장 작은 단위의 부품이라면, 게이트는 MOS 트랜지스터보다 바로 한층 윗단계에 있는 부품이다. 즉 MOS 트랜지스터 여러 개를 조립하여 NOT, AND, OR 등의 게이트를 만들게 된다. 자질구레한 설명은 생략하고, 다음 그림들을 보며 각 종류의 게이트가 MOS 트랜지스터로 어떻게 구현되는지 직접 한 번 살펴보도록 하자.

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2-1. NOT 게이트

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2-2. NAND 게이트

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2-3. AND 게이트 (NAND 게이트 + NOT 게이트)

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2-4. NOR 게이트

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2-5. OR 게이트 (NOR 게이트 + NOT 게이트)