CPU는 트랜지스터라는 반도체로 구성되어 있습니다. 반도체는 주로 실리콘으로 만들어집니다. 실리콘은 원자번호 14로 최외각 전자가 4개이며, 실리콘 원자들끼리 전자를 공유하여 강하게 공유결합하고 있습니다.

원자는 최외각 전자가 8개일 때 가장 안정적인 구조를 가지게 되므로 순수한 실리콘의 경우 전자가 이동하지 않으므로 전류가 흐를 수 없습니다. 그러므로 최외각 전자가 3개이거나 5개인 원소를 첨가하여 전류가 흐를 수 있는 상태로 만들게 되는데, 이 과정을 도핑(Doping)이라고 합니다.

붕소(B)와 같이 최외각 전자가 3개인 원소를 첨가하게 되면 빈 자리가 생기게 되는데, 이를 양공이라고 합니다. 공유결합하고 있는 최외각 전자가 양공으로 이동하면서 전류가 흐를 수 있으며, 해당 반도체를 P형 반도체라고 합니다.

인(P)과 같이 최외각 전자가 5개인 원소를 첨가하게 되면 자유전자가 1개 늘어 전류가 흐를 수 있으며, 해당 반도체는 N형 반도체라고 합니다.

두 반도체는 전기적으로 중성상태에 있습니다. 두 반도체를 서로 연결한다면 N형 반도체의 자유전자가 P형 반도체의 양공으로 이동하게 됩니다.

N형 반도체는 상대적으로 자유전자를 빼앗겨 (+)전하를 가지게 되고, P형 반도체는 상대적으로 자유전자를 얻으면서 (-)전하를 가지게 되면서 전기장이 형성됩니다.

어느정도 이동하다가 P형 반도체의 전자 반발력으로 인해 자유전자가 양공으로 이동하지 못하게 되는데, 이때 양공이 채워져 더이상 전자가 이동할 수 없는 영역을 공핍영역이라고 합니다.

만약 건전지의 (+)극을 N형 반도체에 연결하고 (-)극을 P형 반도체에 연결한다면 공핍영역이 넓어져 전자가 이동할 수 없습니다. 이것을 역방향 연결이라고 합니다.

건전지를 반대로 연결한다면 공핍영역의 전기장을 극복하고 전자가 P형 반도체에서 N형 반도체로 이동하면서 전류가 흐를 수 있게 됩니다. 이것은 순방향 연결이라고 합니다.

건전지를 순방향으로 연결할 때만 전류가 흐를 수 있으며, 이때 전류의 방향은 P형 반도체에서 N형 반도체로 흐릅니다. 즉, 전류를 한방향으로 흐를 수 있게 하는데, 이를 다이오드(Diode)라고 합니다.

여담으로 전자가 공핍영역을 지날 때 빛으로 에너지를 발산하기도 하는데, 이것이 발광 다이오드(Light Emitting Diode) 즉, LED입니다.

이번에는 2개의 P형 반도체 사이에 N형 반도체를 연결하여 건전지를 각각 순방향과 역방향으로 연결해 보겠습니다. 이 경우 순방향으로 연결된 회로에만 전류가 흐릅니다.

하지만 순방향 회로의 전압을 높여준다면 공핍영역에 의한 전자 반발력보다 건전지에 의한 양전하의 반발력이 더 커지면서 역방향 회로를 통해서도 전류가 흐를 수 있게 됩니다.

역방향 회로에 전압을 더 높여준다면 더 많은 전자가 공핍영역을 통과할 수 있으므로 더 많은 전류가 흐르도록 할 수 있습니다.

이런 식으로 전압을 높이거나 낮추어 전류의 흐름을 제어하는 장치를 트랜지스터(Transistor)라고 합니다. 트랜지스터는 위와 같은 PNP 트랜지스터와 NPN 트랜지스터가 있습니다.

CPU는 MOSFET이라는 0.1nm 크기의 트랜지스터로 구성되어 있습니다. MOSFET은 금속(Metal)과 반도체(Semiconductor) 사이에 부도체인 산화막(Oxide)이 들어있는 적층 구조로 되어 있습니다. 이 구조를 MOS 구조라고 합니다.

반도체 기판이 N형이면 NMOS, P형이면 PMOS라고 부르며, 산화물인 SiO2로는 전류가 흐르지 않습니다. 아래와 같이 건전지를 연결해보겠습니다.

이 경우 오른쪽 회로가 역방향으로 연결되었기 때문에 전류가 흐르지 않습니다. 이번에는 가운데 금속에 전압을 걸어봅시다.

이 경우 산화물에 의하여 전류는 흐르지 않지만 위에서 아래로 전기장이 걸리면서 전자가 산화물 아래에 모이게 됩니다. 이 전자들이 N형 반도체를 이어주는 통로가 되어 전류가 흐르게 됩니다.

즉, MOSFET이란 MOS의 전계 효과(Field Efect)를 활용한 트랜지스터(Transistor)입니다.