半導體/電晶體作為開關
電晶體是最基本的數字器件。它有三個端子：基極、集電極和發射極。這些端子連線到一塊經過處理的矽片，矽片經過處理後具有特定的特性，使其能夠像放大器、開關或其他電子器件一樣工作。
在最基本的層面上，電晶體可以被認為是一個開關，如果電晶體的基極接收到比發射極高得多的電壓，則允許電流透過。這意味著在 5 伏系統 (+5v) 中，0v 到 1v 之間的電壓被認為是“低”，而 4v 到 5v 之間的電壓被認為是“高”。1v 到 4v 之間的電壓被認為是未定義的，不應該應用於充當邏輯器件的電晶體的輸入端。由於電晶體不像理想的開關那樣工作，因此它們被以允許它們更接近理想邏輯閘的方式排列。有關不同型別電晶體系列和相關邏輯的更多資訊將在稍後介紹。
電晶體主要分為兩種：雙極結型電晶體 (BJT) 和金氧半導體 (MOS)。這些電晶體的製造方式不同，材料略有差異，但可以排列成執行類似的功能。
雙極結型電晶體由一塊經過處理的矽片構成，矽片經過處理後會在矽片中形成一個“通道”。首先，選擇一塊未摻雜（未處理）的矽片（未摻雜的矽片充當絕緣體，防止電流流動）。接下來，使用一種工藝在矽片中形成一個 N 型通道。這是一種含有過量負電荷載流子（電子）的矽片。在第一個通道中再形成一個通道，這次使用的是 P 型矽。P 型矽由於存在過量的正電荷載流子（“空穴”，它們被稱為）而導電。該工藝在矽片中形成了三個區域，一個 N 型區域、一個 P 型區域和另一個 N 型區域。基極端子連線到 P 型區域，而集電極和發射極連線到相反的 N 型區域。
實際上，對於普通的電晶體，當電晶體的基極電壓上升到高於 0.7V（相對於發射極）時，集電極和發射極之間的阻抗開始下降，直到在約 1.2V 時，它幾乎沒有電阻。
BJT 是電流控制器件。以下假設 BJT 採用 NPN 結構。可以將 BJT 製造成 PNP 型，但它們通常速度較慢，因此不受歡迎。基極-發射極結是一個二極體。如果器件基於矽（而不是鍺或 3-5 族化合物，如鎵/砷化物），則二極體的正向壓降假定為 0.7V。實際上，電晶體在 0.65V 時開始改變狀態，並在 0.75V 時完全飽和。這意味著從集電極到發射極流動的電流接近零，而基極-發射極電壓低於 0.65V（因此沒有電流從基極流向發射極），那麼也沒有電流從集電極流向發射極。當基極到發射極的電壓升高到 0.75 時，從基極到發射極流動的電流將至少增加 100 倍。這將使從集電極到基極流動的電流至少增加相同倍數。當基極到發射極電壓大於 0.75V 時，從集電極到發射極流動的電流通常會大 100 倍（這就是放大），集電極到發射極的電壓會下降到 0.3V，無法進一步降低，因此電晶體被稱為處於飽和狀態。從技術上講，當集電極電壓低於基極電壓時，電晶體處於飽和狀態。
參考：“電晶體手冊”，1964 年通用電氣公司出版
第 44 頁有兩個與 NPN 電晶體 2N1613 相關的圖表，該電晶體的表格資料顯示在第 548 頁。
- a) 伏安 (VI) 特性（集電極電流與集電極到基極電壓之間的關係），用於不同的基極電流），以及
- b) 基極電流與基極到發射極電壓之間的關係。
VI 圖表顯示
- 如果基極電流為零，則集電極電流可以忽略不計，
- 如果基極電流大約為 0.1 mA，則集電極電流大約為 9 mA，
- 如果基極電流大約為 0.4 mA，則集電極電流大約為 45 mA，
- 如果基極電流大約為 0.7 mA，則集電極電流大約為 75 mA。
- 基極電流從 0.1 變化到 0.4，變化了 0.3 mA，導致集電極電流從 9 變化到 45，變化了 36 mA，因此近似電流增益為 36 除以 0.3 = 120。
- 基極電流從 0.4 變化到 0.7 mA，變化了 0.3 mA，導致集電極電流從 45 變化到 75，變化了 30 mA，因此近似電流增益（電流放大）為（30 除以 0.3 =）100。
- 資料手冊中規定的最大集電極到基極電壓為 60 伏，但VI 圖表只顯示了高達 50 伏的電壓，低於允許的最大值。
- 基極VI 關係圖顯示，如果基極到發射極電壓低於 0.5 伏，則基極電流可以忽略不計。
- 它還表明，為了使 5 mA 的基極電流流動，只需要大約 0.9 伏的基極到發射極電壓。從上面可以看出，只需要大約 0.7 mA 的基極電流。
- 從資料手冊中我們可以看到，該電晶體的額定最大功率只有 0.8 瓦，如果外殼溫度在自由空氣冷卻的情況下不超過 25 攝氏度，但如果最大功率為 1.7 瓦，會導致外殼溫度非常高，約為 100 攝氏度。讓我們只使用高達 0.8 瓦的功率；該功率曲線沒有在集電極電流圖上顯示，但我們可以在圖上新增它：對於 0.8 瓦和 100 mA 的集電極電流，集電極-發射極電壓為（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。
- 假設我們有兩個串聯連線到電源的電阻，其中一個電阻是可變的，另一個是固定的。當我們從零歐姆變化到最大值時，可變電阻上的電壓也會發生變化。顯然，如果電阻為零，則它上的電壓也為零，電流最大，為電源電壓除以固定電阻。如果我們將可變電阻設定為最大值，則電流為電源電壓除以兩個電阻值的總和，可變電阻上的電壓為其電阻乘以電源電壓除以這兩個電阻值的歐姆總和。將可變電阻視為電晶體，它透過固定電阻連線到電源。我們可以在集電極電流與電壓圖上顯示任何此類電阻的直線，並且我們選擇一條仍在允許的功率區域內的直線，可能大約與最大功率曲線的切線。書中的圖表顯示了這樣的直線，稱為負載線，連線 0V、80 mA 點與 45V、0 mA 點。它表明電源電壓為 45 伏（零電流），並且如果電源電壓全部加在負載電阻上，則負載電阻透過 80 mA。因此，該負載電阻的值為（45 伏除以 0.08 安培 =）562.5 歐姆。最接近的標準尺寸電阻為 560 歐姆，連線在電源和電晶體之間。
- 集電極圖還顯示，當基極電流如上所述變化時，電晶體上的電壓也會發生相應變化，負載電阻上的電壓變化為電源電壓與集電極電壓之差。請注意，這種電壓變化遠高於基極電路中的電壓變化；產生了電壓放大。