電晶體是什麼？ 數位電晶體的原理

選擇方法

①為讓TR飽和的IC/IB比例為
IC/IB=20/1
②輸入電阻：R1為±30%  E-B間電阻：R2為
R2/R1=±20%
③V_BE 為　0.55V～0.75Ｖ

數位電晶體以以下關係式成立 。

■數位電晶體的直流電流增幅率的關係式

■集極電流的關係式為

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

※這裡的hfe是VCE=5V、Ic=1mA時的值不是飽和狀態。
當做開關使用的話，則需要成為飽和狀態，Ic/IB=20/1的電流比例成了必要條件。

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

公式①的h_FE設定為20/1。

接著，考慮偏差後的算式中
算式②中代入R1為最大+30%、R2為最小-20%，以V_BE為最大0.75V之最壞情況計算出。為使數位電晶體的Ic比使用組合上的最大輸出電流lomax還大，須以下式選擇數位電晶體的電阻R1、R2。

∴ Iomax≦20((Vin-0.75)/(1.3XR1)-0.75/(1.04XR2))

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數位電晶體的型號說明

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關於Io與Ic之差異

Ic : 可通過組成電晶體的電流之最大理論值
Io : 數位電晶體本身可使用的電流最大值

說明

DTA/C系列的情形
舉例來說DTA/C系列，則構成數位電晶體的電晶體可流通100mA。
將其定義為Ic=100mA。把此電晶體加上電阻R1,R2後就成為數位電晶體。
於是，要將Ic=100mA流入此數位電晶體時，因有流過相對應的基極電流值，因此高輸入電壓需定義Vin。
如各位所知，因最大額定功率「無法同時供應給2個以上的項目」，只標示Ic雖無問題，請配合實際使用狀況參考Io。
但因絕對最大額定功率由電阻R1的最大功率Vin(max)決定，造成若Ic=100mA一流過就超過額定功率，因此定義了不會超過Vin(max)的電流值Io。
如各位所知，因最大額定功率「無法同時供應給2個以上的項目」，只標示Ic雖無問題，請配合實際使用狀況參考Io。
綜合上述，設計電路時，Io就是絕對最大額定值。

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關於G_I與h_FE之差異

h_FE:組成電晶體的直流電流放大率
G_I:數位電晶體的直流電流放大率

說明

G_I和h_FE皆為射極接地直流電流放大率。
數位電晶體為一般的電晶體接上2個電阻所組成。
這裡說的直流電流率指的是輸出電流/輸入電流,因此不會因輸入電極R1造成的放大率降低。故輸入電阻R1的放大率用h_FE標示，等同於構成電晶體的h_FE值。
但在E-B間接上電阻R2後，輸入電流就分流為電晶體電流和E-B間的電阻R2電流。
因此，放大率較單一電阻時為低，此值另稱為G_I來區別

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V_I(on)與V_I(off)之差異

許多人分不清楚V_I(on) 與 V_I(off)的差別。
V_I(on) :數位電晶體為了保持ON狀態，所需的最低電壓電壓，因此我們定義為V_I(on) 定義為「min」。

錯誤的想法

 : 讓輸入電壓由0開始依序增加。
 : 當電晶體到達1.8V時就會變為ON。
 : 因為規格書規定電壓值必須小於3V (min)，因此判斷電晶體不良。

正確的想法

 : 首先必須施加充分的輸入電壓Vin (例如10V)，才能夠讓數位電晶體變為ON。
 : 緩緩地降低電壓，一旦到達規格書所規定的3V時即停止施加電壓。
如果電晶體仍保持ON狀態的話，此一產品即被視為良品。
 : 若持續降低基極電壓時，電晶體將因無法保持ON狀態而進入OFF狀態。
由於變化點出現在3V以下，因此判斷該產品為良品。

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關於數位電晶體的溫度特性

V_BE、h_FE、R1、R2將依環境溫度不同而產生變化。
h_FE的溫度變化率約為0.5%/℃
V_B的溫度係數約為-2mV/℃(在-1.8 to -2.4mV/℃之間的範圍)

R1的溫度變化率如下圖所示。

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關於輸出電壓－輸出電流特性進入低電流區域時之詳細說明(使用數位電晶體時)

數位電晶體的輸出電壓-輸出電流特性由以下的檢測方式檢測。
因此，Io(低電流區)在構成電晶體的基極電流難以通過。
造成低電流區的輸出電壓(Vo)[V_CE(sat)]上升

檢測方法在 DTC114EKA時以Io/Ii=20/1來測定。
由於Ii = I_B + IR2 (IR2 = V_BE/10k = 0.65V/10k = 65μA)
I_B=Ii-IR2=Ii-65uA
由Ii=I_B+IR2(IR2=V_BE/10k=0.65V/10k=65μA)
I_B=Ii-IR2=Ii-65μA也就是65μA以下時，I_B的電流難以通過，造成Vo[V_CE(sat)]上昇。
因此，Vo在低電流時無法檢測。

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關於數位電晶體的切換動作

①電晶體的動作

欲啟動NPN電晶體時，必須依照圖1所示施加電壓。
此種電路的作法就是在基極(B)－射極(E)之間施加順向電壓，然後再注入基極電流。
如此一來，即可將電洞注入基極(B)區域。當電洞被注入基極(B)區域後，射極的自由電子-就會被吸引至基極(B)，不過基極(B)區域極薄，必須利用施加集極電壓的方式，讓自由電子得以通過基極(B)區域並進入集極。
如此一來，即可讓電流由集極(C)進入→射極(E)。

②切換動作

電晶體的動作可分為放大作用及開關作用。
放大作用就是利用基極電流I_B，經過h_FE倍的放大，產生集極Ic電流。
進入動作區時，只要利用輸入訊號連續控制集極電流的方式，即可得到輸出電流。
開關作用必須在電晶體ON而且進入飽和狀態(集極-射極間的電壓會降低，即飽和電壓)下進行。

所謂「飽和區域」就是被注入過多的電洞時的狀態，當電晶體由飽和狀態進入截止區(切斷輸入脈衝)， 過多的電洞就會離開基極區域進入基極端子，集極電流會持續到基極區域內的電洞消失前。
電洞消失所需的時間即稱為「tstg (off時間)」。
根據上述原理，如果能加快基極區域內洞消失的速度，即可縮短off時間。
使用數位電晶體時，當數位電晶體變為OFF，基極區域內的洞消失的時間與R1、T2有關。
因此，當R1 =固定值時，只要R2愈小，就愈能夠縮短off時間。

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關於數位電晶體的用語

V_I(on)Min.：輸入電壓（INPUT ON VOLTAGE)

在OUT端子、GND端子間增加順方向電壓(Vo)，流過規定的輸出電流(Io)時必要的最小輸入電壓。也就是數位電晶體在ON領域的最小輸入電壓值。
因此，若從ON狀態變成OFF狀態時，必須要降得比此最小輸入電壓值還要低，良品的值應較低。

V_I(off)Max.：輸入電壓(INPUT OFF VOLTAGE)

輸入電壓(INPUT OFF VOLTAGE) 在OUT端子、GND端子間加入規定的電源電壓(Vcc)、輸出電流(Io)的狀態下，IN端子、GND端子間所得到的最大輸入電壓，也就是數位電晶體可保持在OFF狀態的領域的最大輸入電壓值。因此，若從OFF狀態變成ON狀態時，必須要提升得比此最大輸入電壓值還要高，良品的值應較高。

V_O(on)：輸出電壓(OUTPUT VOLTAGE)

以不超過絕對最大額定的任意輸入條件為基本的輸出端子電壓。在GND接地增幅電路中充分通過輸入電流時，輸出電壓會減少，IN、OUT接合也呈現順偏壓的狀態。規定的Vo、lo中，II以整數(通常10～20)分之1測量。

I_I(Max.)：輸入電流(INPUT CURRENT)

IN端子、GND端子間加入順方向電壓(VI)，為IN端子中連續流過電流的最大輸入容許值。

G_I：GND接地直流電流放大率(DC CURRENT GAIN)

規定的Vo、Io中的Io/II比。

R1：輸入電阻(INPUT RESISTANCE)

IN端子、電晶體之間內建的電阻。R1的容許範圍為±30%。另外，會根據溫度出現變化。

R2/R1：電阻比例(RESISTANCE RATIO)

針對內建的輸入電阻，電晶體的射極-基極間電阻的比例。