🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
• 分辨三大操作區域
• 建立通道形狀的畫面• 了解各區域的工程用途
• 連結操作區域與電路功能
🧭 一、先給核心直覺
MOSFET 是：
👉 一條可以被「捏扁」的水管 Gate 控制水管厚度 Drain 電壓拉水流
🧑🏫 二、初學者解析
2-1 一句話抓住 MOS 本質
MOSFET 就像「水龍頭 + 水管」：
- Gate（G）：像轉水龍頭，決定水管開多大（決定通道厚度）
- Drain（D）：像出水口（水被拉出去）
- Source（S）：像進水口（水從這裡來）
✅ 重點：Gate 幾乎不流電流，它只是在控制。
真正流的是 ID（Drain → Source）。
2-2 為什麼會有「三種區域」？
因為 MOS 的通道不是「有/沒有」這麼簡單，它會因為 VGS 和 VDS 不同，呈現三種狀態：
- 水管還沒打開（截止）
- 水管完整、像一根可變粗細的管子（線性）
- 出水口被拉到很薄、像被夾住（飽和）
所以 MOS 才能同時扮演：
✅ 開關（Switch） ✅ 可變電阻（Variable Resistor） ✅ 電流源（Current Source，用於放大）
🧠 三、三大操作區域總覽（概念表）
3-1 區域與角色（不要死背公式，先背“畫面”）
- 截止（Cutoff）：沒有通道 → 幾乎不導通 → OFF
- 線性 / 三極（Linear / Triode）：通道完整 → 像電阻 → R（導通開關、可變電阻）
- 飽和（Saturation）：通道在 Drain 端被夾斷 → 像電流源 → I（放大器偏壓、電流源）
🧠 四、截止區（Cutoff）
條件
VGS < Vth
通道畫面
無通道（等於水管沒開）
S X D
(no channel)
工程角色
👉 OFF（開關關閉）
👉 幾乎無 ID（理想情況趨近 0，但真實仍會有漏電）
🧠 五、線性區（Linear / Triode）
條件
VGS > Vth 且 VDS 小
通道畫面（通道連續）
=======
S=======D
工程直覺
👉 通道完整，像一根「被 Gate 調粗細的水管」
👉 ID 會明顯跟著 VDS 增加（像歐姆定律區）
工程角色
👉 開關 ON（導通時希望在這區，RDS(on) 小）
👉 可變電阻（例如類比開關、可調衰減、電阻式控制）
🧠 六、飽和區（Saturation）
條件
VGS > Vth 且 VDS 大
通道畫面（Drain 端被拉薄、夾斷）
======|
S=====| D
工程直覺
👉 Drain 把通道末端拉到很薄 → 形成「夾斷」
👉 再把 VDS 拉更大，ID 不再明顯增加（趨近平坦）
工程角色
👉 電流源（偏壓源）
👉 放大器（類比放大電路通常工作在飽和區）
小提醒：真實 MOS 會有「通道長度調變」，所以飽和區的 ID 仍可能微微上升。
🧠 七、關鍵判斷條件（用來快速分區）
- 線性：VDS < VGS − Vth
- 飽和：VDS ≥ VGS − Vth
🧾 八、一句話記住
🔀 小 VDS → MOS 像電阻
🔀 大 VDS → MOS 像電流源
🔬 電子學實驗題（39/120）
實驗名稱
觀察 MOS 三種操作區域
🎯 實驗目的
量測 ID 對 VDS 與 VGS 變化，觀察：
- 低 VDS 時 ID 近似線性
- 高 VDS 時 ID 進入飽和（變平坦）
🧰 實驗器材
• NMOS（建議用常見小訊號 NMOS）
• 直流電源 ×2（或一台雙輸出） • 電阻 RD • 萬用電表（或電流表）
🔧 實驗接線
1) 電路本體
VDD (供應 Drain 的電壓)
|
[RD] (把電流轉成電壓、也保護 MOS 不過流)
|
D
|
| | NMOS
VG ---| | Gate 接可調電壓 (VGS)
| |
|
S
|
GND (Source 接地)
2) 這個電路在量什麼？
- 你改 VGS：等於在改「水管開多大」
- 你改 VDS（透過調 VDD 或量測 D 點）：等於在改「Drain 拉水的力道」
- 你量 ID：等於看「最後流了多少水」
3) ID 怎麼量？
常見兩種方式（都可）：
- 量 RD 兩端電壓 VRD，用 ID ≈ VRD / RD
- 直接用電表串接量電流（注意量程與接法）
🔧 實驗步驟（更完整、適合初學者照做）
- 先設 VGS = 0V
- 觀察 ID 幾乎為 0（截止）
- 把 VGS 拉到略高於 Vth（例如 2V、2.5V、3V 視元件而定）
- 固定 VGS 不動
- 掃 VDS（或掃 VDD）
- 從 0V 開始逐步增加（例如 0 → 0.5 → 1 → 2 → 3 → 5V）
- 每一步都量 ID
- 換另一個 VGS 再重做一次
- 例如 VGS=2.5V、3V、3.5V
- 你會得到多條 ID–VDS 曲線
📊 預期觀察（把現象說清楚）
- 低 VDS：ID 幾乎跟 VDS 成比例上升 → 線性區
- 高 VDS：ID 開始變平、變不太上去 → 飽和區
✅ 專業解析
- 低 VDS 時：通道完整，等效像電阻 → ID ∝ VDS
- 高 VDS 時：Drain 端通道變薄，進入夾斷 → ID 不再隨 VDS 明顯增加
🧠 實務解析（量測最容易踩的坑 + 判讀技巧）
1) 為什麼我量到「飽和區沒有完全平」？
常見原因：
- 通道長度調變：真實 MOS 在飽和仍會微微上升
- RD 太小：電流變化太大，讓工作點被拉走
- 電源內阻 / 表頭負擔：造成你以為的 VDS 其實沒到位
2) Vth 不知道怎麼辦？
初學者最實用做法：
- 先從 VGS = 0V 開始慢慢加
- 找到 ID 開始明顯不為 0 的那個點，當作「近似門檻」
（不追求精準，先建立區域直覺）
3) 開關設計為什麼要“在線性區”？
因為你希望 MOS 像很小的電阻：
- RDS(on) 小 → 壓降小 → 熱損小 → 效率高
4) 放大器為什麼要“在飽和區”？
因為你要的是：
- 輸入（VGS 的微小變化）
- 造成輸出（ID 的可控變化）
讓 MOS 更像「電流源」而不是「電阻」
🧠 工程結論（收尾）
👉 MOS 可以是電阻，也可以是電流源
👉 同一顆 MOS，換一組偏壓，角色就變了 👉 工程上：
- 線性區主打“低損耗導通”（開關、RDS(on)）
- 飽和區主打“可控電流”（放大、偏壓、電流鏡）
