什么是晶体管?数字晶体管的原理

选定方法

①使TR达到饱和的I_C/I_B的比率是I_C/I_B=20/1
②输入电阻：R₁是±30% E-B间的电阻：R₂/R₁=±20%
③V_BE是0.55~0.75V

数字晶体管具有下面的关系式。

■数字晶体管直流电流增益率的关系式

■集电极电流关系式

∴ I_C= h_FE×((Vin-V_BE)/R₁ )- (V_BE/R₂)) ・・・①

※这里所说的h_FE是V_CE=5V、I_C=1mA时的值，不是饱和状态。

作为开关使用时，需要饱和状态的电流比率I_C/I_B=20/1

∴ I_C= 20×((Vin-V_BE)/R₁ )- (V_BE/R₂ ))・・・②

将式子①的h_FE替换成20/1。

而且，如果在考虑偏差的基础上计算
将R₁的最大值+30% R₂的最小值-20% V_BE的最大值0.75V这一组最差数值代入式子②计算。
根据下面的式子选择数字晶体管的电阻R₁、R₂，使数字晶体管的I_C比使用设备上的最大输出电流Iomax大。

∴ Iomax≦20((Vin-0.75)/(1.3×R₁)-0.75/(1.04×R₂))

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数字晶体管的型号说明

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I_O和I_C的区别

I_C: 能够通过晶体管的电流的最大理论值
I_O: 能够作为数字晶体管使用的电流的最大值

解说

DTA/C系列为例，构成数字晶体管的个别晶体管能流过100mA电流。
用I_C=100mA定义。个别晶体管连接电阻R₁、R₂，则成为数字晶体管。
此数字晶体管流过I_C=100mA时，基极电流I_B需要相对应的电流値，其结果需要高的输入电压V_IN。
根据绝对最大额定值限制，由输入电阻R₁的功率许容值（封装功率）决定输入电压V_IN(max)。电流I_C=100mA流过时，可能超过这个额定值，在不超过V_IN(max)条件下，数字晶体管中流过的电流值定义为I_O。
如您所知，绝对最大额定值被定义为"不能同时提供2项以上"，仅用I_C标记没有问题，但结合客户实际使用状态，合并标记为I_O。
因此电路设计探讨中此I_O即为绝对最大额定值。

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G_I和h_FE的区别

h_FE: 作为晶体管的直流电流增幅率
G_I: 作为数字晶体管的直流电流增幅率

解说

G_I和h_FE都表示发射极接地直流电流放大率。
数字晶体管是指普通晶体管上连接2个电阻器的晶体管。
直流电流放大率为 输出电流/输入电流 ，因此不因输入电阻R₁，放大率下降。仅有输入电阻R₁的类型 放大率表示为h_FE，与个别晶体管h_FE相等。
如果在E-B间附加电阻R₂，输入电流则分为流过个别晶体管的电流和流过E-B间电阻R₂的电流。
因此放大率比单体时下降。此值称为G_I，用以区分。

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关于V_I(on)和V_I(off)的区别

V_I(on)、V_I(off)容易被混淆
V_I(on): 数字晶体管为保持ON状态的最低电压、定义V_I(on)为min

错误观点

• 1：由0开始依次加入输入电压。
• 2：达到1.8V时，数字晶体管启动。
• 3：因在规格书规定的3V(min) 以下，故判断为不合格。

正确观点

• A：首先为了启动数字晶体管，加入足够的输入电压Vin(如10V)
• B：渐渐降低电压，到规格书规定的3V时停止。
  因仍保持ON状态，故该产品为合格。
• C：如果继续降低基极电压，不能完全保持ON状态，而向OFF状态变化。
  因这一变化点在3V以下，故产品为合格。

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关于数字晶体管的温度特性

根据环境温度、V_BE、h_FE、R₁、R₂变化。
h_FE的温度变化率约为0.5％/ºC
V_BE的温度系数约为－2mV/ºC(-1.8 to -2.4mV/ºC的范围有偏差)

R₁的温度变化率，如下图表。

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关于输出电压 - 输出电流特性的低电流领域(数字晶体管的情况)

数字晶体管的输出电压-输出电流特性，按以下测定方法测定。
I_O（低电流区域）条件下，个别晶体管基极没有电流流过。
因此低电流区域输出电压 (V_O)[V_CE(sat)]上升。

测定方法 DTC114EKA 的场合 用I_O/Ii=20/1测定。
Ii=I_B+I_R2、(I_R2=V_BE/10k=0.65V/10k=65μA)
I_B=Ii-I_R2=Ii-65μA 即Ii在65µA以下时，I_B没有电流流过，V_O [V_CE(sat)]上升。
因此，在低电流区域不能测定V_O。

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关于数字晶体管的开关动作

①晶体管的动作

如图1，输入电压，启动NPN晶体管。
在这个电路中，基极(B)-发射极(E)之间输入顺向电压，注入基极电流。
就是说，在基极(B)领域注入+空穴。
如果在基极(B)领域注入+电子，发射极(E)的载流子-会被吸引至基极(B)，但是正极(B)领域非常薄，因此通过加入集电极电压，载流子可以穿越基极(B)流向集电极(C)。
借此，电流可以由集电极(C)→发射极(E)流动。

②开关动作

晶体管的动作有增幅作用和开关作用。
在增幅作用中，通过注入基极电流I_B，能够通过增幅h_FE倍的集电极I_C。
在活性领域中，通过输入信号持续控制集电极电流，可以得到输出电流。
在开关作用中，在ON时电气性饱和状态（降低集电极-发射极间的饱和电压）下使用。

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关于数字晶体管的用语

V_I(on)Min.：输入电压 (INPUT ON VOLTAGE)

向OUT引脚、GND引脚间施加正向电压 (V_O)，并得到规定的输出电流时需要的最小输入电压，即数字晶体管导通区域的最小输入电压值。
因此，如果要从ON状态变为OFF状态，需要进一步降低该最小输入电压值，所以正常产品的电压值低于这个数值。

V_I(off)Max.：输入电压 (INPUT OFF VOLTAGE)

在向OUT引脚、GND引脚间施加电源电压 (V_CC)、输出电流 (I_O) 的状态下，IN引脚、GND引脚间得到的最大输入电压，即可以保持数字晶体管OFF状态区域的最大输入电压值。
因此，如果要从OFF状态变为ON状态，需要进一步升高该最大输入电压值，所以正常产品的电压值高于这个数值。

V_O(on)：输出电压 (OUTPUT VOLTAGE)

在任意输入条件下不超过绝对最大额定值的输出引脚电压。GND接地放大电路流过充足的输入电流时，输出电压降低，IN、OUT接合也变为正偏压状态。在规定的V_O、I_O下将I_I设定为整数（通常10~20）分之一进行测定。

I_I(Max.)：输入电流 (INPUT CURRENT)

向IN引脚、GND引脚间施加正向电压 (V_I) 时，IN引脚连续流过电流的最大输入容许值。

G_I：GND接地直流电流增益 (DC CURRENT GAIN)

在规定的V_O、I_O条件下的I_O/I_I的比值。

R₁：输入电阻 (INPUT RESISTANCE)

在IN引脚、晶体管基极之间内置的电阻。R₁的公差设定为±30%。另外，还会随着温度的变化而变化。

R₂/R₁：电阻比率（RESISTANCE RATIO）

晶体管的基极∙发射极之间的电阻与内置输入电阻的比率。