半导体/晶体管作为开关
晶体管是最基本的数字器件。它有三个端子：基极、集电极和发射极。这些端子连接到一块经过处理的硅片，硅片经过处理后具有特定的特性，使其能够像放大器、开关或其他电子器件一样工作。
在最基本的层面上，晶体管可以被认为是一个开关，如果晶体管的基极接收到比发射极高得多的电压，则允许电流通过。这意味着在 5 伏系统 (+5v) 中，0v 到 1v 之间的电压被认为是“低”，而 4v 到 5v 之间的电压被认为是“高”。1v 到 4v 之间的电压被认为是未定义的，不应该应用于充当逻辑器件的晶体管的输入端。由于晶体管不像理想的开关那样工作，因此它们被以允许它们更接近理想逻辑门的方式排列。有关不同类型晶体管系列和相关逻辑的更多信息将在稍后介绍。
晶体管主要分为两种：双极结型晶体管 (BJT) 和金属氧化物半导体 (MOS)。这些晶体管的制造方式不同，材料略有差异，但可以排列成执行类似的功能。
双极结型晶体管由一块经过处理的硅片构成，硅片经过处理后会在硅片中形成一个“通道”。首先，选择一块未掺杂（未处理）的硅片（未掺杂的硅片充当绝缘体，防止电流流动）。接下来，使用一种工艺在硅片中形成一个 N 型通道。这是一种含有过量负电荷载流子（电子）的硅片。在第一个通道中再形成一个通道，这次使用的是 P 型硅。P 型硅由于存在过量的正电荷载流子（“空穴”，它们被称为）而导电。该工艺在硅片中形成了三个区域，一个 N 型区域、一个 P 型区域和另一个 N 型区域。基极端子连接到 P 型区域，而集电极和发射极连接到相反的 N 型区域。
实际上，对于普通的晶体管，当晶体管的基极电压上升到高于 0.7V（相对于发射极）时，集电极和发射极之间的阻抗开始下降，直到在约 1.2V 时，它几乎没有电阻。
BJT 是电流控制器件。以下假设 BJT 采用 NPN 结构。可以将 BJT 制造成 PNP 型，但它们通常速度较慢，因此不受欢迎。基极-发射极结是一个二极管。如果器件基于硅（而不是锗或 3-5 族化合物，如镓/砷化物），则二极管的正向压降假定为 0.7V。实际上，晶体管在 0.65V 时开始改变状态，并在 0.75V 时完全饱和。这意味着从集电极到发射极流动的电流接近零，而基极-发射极电压低于 0.65V（因此没有电流从基极流向发射极），那么也没有电流从集电极流向发射极。当基极到发射极的电压升高到 0.75 时，从基极到发射极流动的电流将至少增加 100 倍。这将使从集电极到基极流动的电流至少增加相同倍数。当基极到发射极电压大于 0.75V 时，从集电极到发射极流动的电流通常会大 100 倍（这就是放大），集电极到发射极的电压会下降到 0.3V，无法进一步降低，因此晶体管被称为处于饱和状态。从技术上讲，当集电极电压低于基极电压时，晶体管处于饱和状态。
参考：“晶体管手册”，1964 年通用电气公司出版
第 44 页有两个与 NPN 晶体管 2N1613 相关的图表，该晶体管的表格数据显示在第 548 页。
- a) 伏安 (VI) 特性（集电极电流与集电极到基极电压之间的关系），用于不同的基极电流），以及
- b) 基极电流与基极到发射极电压之间的关系。
VI 图表显示
- 如果基极电流为零，则集电极电流可以忽略不计，
- 如果基极电流大约为 0.1 mA，则集电极电流大约为 9 mA，
- 如果基极电流大约为 0.4 mA，则集电极电流大约为 45 mA，
- 如果基极电流大约为 0.7 mA，则集电极电流大约为 75 mA。
- 基极电流从 0.1 变化到 0.4，变化了 0.3 mA，导致集电极电流从 9 变化到 45，变化了 36 mA，因此近似电流增益为 36 除以 0.3 = 120。
- 基极电流从 0.4 变化到 0.7 mA，变化了 0.3 mA，导致集电极电流从 45 变化到 75，变化了 30 mA，因此近似电流增益（电流放大）为（30 除以 0.3 =）100。
- 数据手册中规定的最大集电极到基极电压为 60 伏，但VI 图表只显示了高达 50 伏的电压，低于允许的最大值。
- 基极VI 关系图显示，如果基极到发射极电压低于 0.5 伏，则基极电流可以忽略不计。
- 它还表明，为了使 5 mA 的基极电流流动，只需要大约 0.9 伏的基极到发射极电压。从上面可以看出，只需要大约 0.7 mA 的基极电流。
- 从数据手册中我们可以看到，该晶体管的额定最大功率只有 0.8 瓦，如果外壳温度在自由空气冷却的情况下不超过 25 摄氏度，但如果最大功率为 1.7 瓦，会导致外壳温度非常高，约为 100 摄氏度。让我们只使用高达 0.8 瓦的功率；该功率曲线没有在集电极电流图上显示，但我们可以在图上添加它：对于 0.8 瓦和 100 mA 的集电极电流，集电极-发射极电压为（0.8 瓦除以 0.1 安培 =）8 伏，90 mA 和 8.9 伏，80 mA 和 10 伏，...... 45 伏和 18 mA，50 伏和 16 mA。
- 假设我们有两个串联连接到电源的电阻，其中一个电阻是可变的，另一个是固定的。当我们从零欧姆变化到最大值时，可变电阻上的电压也会发生变化。显然，如果电阻为零，则它上的电压也为零，电流最大，为电源电压除以固定电阻。如果我们将可变电阻设置为最大值，则电流为电源电压除以两个电阻值的总和，可变电阻上的电压为其电阻乘以电源电压除以这两个电阻值的欧姆总和。将可变电阻视为晶体管，它通过固定电阻连接到电源。我们可以在集电极电流与电压图上显示任何此类电阻的直线，并且我们选择一条仍在允许的功率区域内的直线，可能大约与最大功率曲线的切线。书中的图表显示了这样的直线，称为负载线，连接 0V、80 mA 点与 45V、0 mA 点。它表明电源电压为 45 伏（零电流），并且如果电源电压全部加在负载电阻上，则负载电阻通过 80 mA。因此，该负载电阻的值为（45 伏除以 0.08 安培 =）562.5 欧姆。最接近的标准尺寸电阻为 560 欧姆，连接在电源和晶体管之间。
- 集电极图还显示，当基极电流如上所述变化时，晶体管上的电压也会发生相应变化，负载电阻上的电压变化为电源电压与集电极电压之差。请注意，这种电压变化远高于基极电路中的电压变化；产生了电压放大。