2.2　晶体管

晶体管是一种半导体器件，其功能相当于数字开关。这种开关动作在电学上相当于电阻阻值根据输入信号的状态在很大的数值和很小的数值之间进行切换。开关晶体管的一个重要特征是开关输入不需要特别强。这意味着在开关输入端，非常小的电流就可以对流经晶体管的大得多的电流进行开启和关闭。单个晶体管的输出电流可以驱动许多其他晶体管的输入。该特点对复杂数字电路的发展至关重要。

图2.2显示了NPN晶体管的原理图。NPN是指构成晶体管的硅互连区的结构。硅的N区（使用一种称为掺杂的方法）添加了额外的材料，从而增加了电子数量，使其带有一定量的负电荷。P区的掺杂减少了电子数量，使其带有一定量的正电荷。NPN晶体管包含两个N区域，P区域夹在它们之间。器件的三个端子分别连接到这些区域。

集电极（在图2.2中标记为C）连接到一个N区域，发射极E连接到另一个N区域。基极B连接到两个N区域之间的P区域。集电极收集电流，发射极发射电流，如箭头所示。基极端是控制输入端。通过改变施加到基极的电压可以改变流入基极的电流量，从而可以控制电流是否流入集电极或流出发射极。

图2.3是使用晶体管构造的非门示意图。该电路由5V电源供电。输入信号可能来自按钮电路，该电路在按钮未按下时输出0V，在按钮按下时输出5V。当输入为高电平（接近5V）时，R1限制从输入端流向晶体管基极的电流。在典型电路中，R1的值约为1000欧，R2的值可能为5000欧。当晶体管接通时，R2限制从集电极流向发射极的电流。

图2.2　NPN晶体管原理图符号

图2.3　晶体管非门

输入端接受0～5V的电压输入，但数字电路操作只对接近0V（低）或接近5V（高）的信号敏感。由于高低状态间的转换是接近瞬时的，因此数字电路中所有的状态转化也可以认为是瞬时完成的。

典型的NPN晶体管的开关电压约为0.7V。当输入端保持在低电压（例如，0.2V）时，晶体管关闭，此时集电极和发射极之间的电阻非常大。这使连接到5V电源的R2将输出信号拉至5V附近的高状态。

当输入信号高于0.7V且范围为2～5V时，晶体管导通，此时集电极和发射极之间的电阻非常小，产生的效果是通过一个比R2小得多的电阻，将输出端拉低到接近于0V。因此，输出端被拉低至0.2V左右的低电压。

总结一下该电路的行为：当输入端为高时，输出端为低；当输入端为低时，输出端为高。此功能描述了非（NOT）门，表示输出的逻辑值与输入相反。如果将低电平信号定义为二进制值0，将高电平信号定义为1，则可以在表2.1所示的真值表中总结该门的行为。

表2.1　非门真值表

真值表是表示逻辑表达式所有可能的输入对应的输出的表格表示形式。每列代表一个输入或输出，输出位于表的右侧。每行表示一组输入值以及由这些输入确定的输出值。