🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 用「控制機制」理解 MOS 與 BJT 的根本差異
- 用工程指標比較：輸入/輸出阻抗、gm 效率、雜訊、線性、速度
- 知道數位為何選 CMOS、類比何時仍偏愛 BJT（或 BiCMOS）
- 在實務設計中做出選型判斷：哪一種元件適合哪一種電路任務
🧭 一、先給一句話總結（超核心）
MOS 與 BJT 的差異不是「外觀」或「符號」，而是控制方式：
- 👉 MOS 用電場控制通道（電壓控制）
- 👉 BJT 用載子注入控制電流（電流控制）
- MOS：用很小的輸入成本，改變很大的輸出狀態（高 Rin）
- BJT：用很強的載子控制力，換來更一致、更線性的放大（高 gm/一致性）
🧑🏫 二、給初學者的解析（先把腦中畫面建立起來）
2.1 先用「兩個比喻」抓住本質
比喻 A：MOS 是遙控門（按鈕控制）
你按遙控器按鈕（VGS），門就開（ID 變大）。 你不需要一直出力把門推開，按鈕本身不會「一直吃力」（Gate 幾乎不吃 DC 電流）。 但你要注意：按鈕是電子的，它有「電容」，所以動作時會吃「充放電能量」。
比喻 B：BJT 是推門（你真的要出力）
你要用手推門（IB），門才會開得更大（IC 變大）。 也就是說：你投入了「基極電流成本」，才換到「集電極電流放大」。
一句超白話：
- 👉 MOS：你下命令（電壓），它自己長路給你走
- 👉 BJT：你真的要先灌人（載子/電流）進去，它才肯給你大電流
🧠 三、最本質的差異：控制機制
3.1 MOS：電場「畫路」
VGS → 電場 → 通道厚度 → ID
直覺：
- Gate 不必送 DC 電流
- 只要建立電場，通道就會長出來
- 主要「吃」的是 Gate 電容的充放電（動態）
更白話：
👉 MOS 像「在地上畫一條路」，路畫得越寬，電流越好走。
3.2 BJT：載子「灌入」
VBE → 注入載子 → IC 變大
直覺：
- 你必須真的把載子推進基極/射極結構
- IB 是成本，IC 是回報（在一定範圍內 IC ≈ β·IB）
更白話：
👉 BJT 像「你先派人進去當內應」，內應越穩，整個部隊就更聽話（控制力強）。
🧠 四、工程比較（不靠表格、用你真的會用到的直覺）
4.1 輸入阻抗 Rin：誰比較不吃輸入？
- MOS：Rin 超高（DC 幾乎不吃電流，但吃電容）
- BJT：Rin 較低（基極需要電流，且輸入等效電阻有限）
工程後果：
- ✅ MOS 非常適合大規模整合、超低功耗邏輯（靜態幾乎不耗）
- ✅ BJT 如果前面訊號源阻抗高，你要更小心偏壓與噪聲匹配，否則「訊號被吃掉」
給初學者一句話：
👉 MOS 像「只要你下指令就好」；BJT 像「你要付門票（IB）才能進場」。
4.2 跨導 gm 與效率：同樣電流，誰控制力更強？
重點不是 gm 大不大，而是：
👉 同樣電流下，誰更能把「電壓變動」變成「電流變動」？
- BJT：gm 對電流的效率通常更高（同樣 IC，gm 往往比較大）
- MOS：gm 也能做大，但常需要更多電流或更大尺寸
工程後果：
- ✅ 低電流、高性能類比（精密放大、低雜訊）常偏愛 BJT
- ✅ 但你要極低靜態功耗、極大整合度，MOS 仍是主力
給初學者一句話：
👉 BJT 更像「同樣油門，車比較衝」；MOS 想衝也行，但常要更大引擎或更多油。
4.3 輸出阻抗 ro：增益天花板常被它卡住
- MOS：飽和區 ro 受通道長度調變影響；小製程 ro 往往變小
- BJT：也有 Early effect，但很多場合小訊號特性更「穩」
工程後果：
- 類比增益常被 ro 限制，所以高增益會用 cascode、疊接、多級放大補救（MOS/BJT 都一樣會）
給初學者一句話：
👉 ro 就像「你輸出端的內阻」，內阻越大越像理想電流源，增益越容易堆上去。
4.4 雜訊：低頻誰比較麻煩？
- MOS：常見 1/f 雜訊在低頻比較麻煩（感測/精密前端要處理）
- BJT：低頻 1/f 可能較友善，白雜訊表現常很漂亮（視結構與偏壓）
工程後果：
- ✅ 精密 DC、低頻感測（電橋、微弱訊號）BJT/BiCMOS 常有優勢
- ✅ 高速 RF 前端：MOS 也很強，但要靠偏壓、尺寸與架構技巧把噪聲壓下來
給初學者一句話：
👉 低頻要「乾淨」，BJT 常比較省事；MOS 也能乾淨，但你要更會設計。
4.5 線性與匹配：誰比較像「教科書」？
- BJT：指數特性在小訊號下往往很可預測，配合退化/回授很容易做出高線性
- MOS：短通道、body effect、製程變異讓線性更敏感，但可用回授/退化/數位校正補救
工程後果：
- ✅ 精密放大、參考源、基準：常喜歡 BJT
- ✅ 大量可程式化 + 數位校正系統：MOS 也能做到很高線性（靠系統架構）
給初學者一句話：
👉 BJT 像「天生比較規矩」；MOS 像「天生比較野」，但你可以用規則（回授/校正）把它馴服。
🧠 五、數位世界：為何 CMOS 統治
數位最在意：
- 靜態功耗低
- 可縮小、可整合
- 可堆疊十億顆以上
CMOS 剛好滿足：
- Gate 不吃 DC 電流
- 開關動作主要是電容充放電
- 製程縮放使密度爆炸成長
一句話：
👉 所以數位：CMOS 幾乎無可取代。
🧠 六、類比世界：為何 BJT 仍常出現
類比常在意：
- 低雜訊
- 高 gm/電流效率（省電又強）
- 偏壓穩定、溫度特性可利用
所以常看到：
- Bandgap reference（常用 BJT）
- 精密運放輸入級
- 高性能比較器前端
- BiCMOS（數位用 CMOS、關鍵類比/驅動用 BJT）
🧠 七、用「任務」選元件（最實務，直接拿去選型）
7.1 你要做數位邏輯 / MCU / SoC → 選 CMOS
原因：靜態功耗、密度、製程主流
7.2 你要做低功耗高 gm 的精密前端 → 常選 BJT 或 BiCMOS
原因：gm/電流效率、噪聲與一致性
7.3 你要做開關、取樣、MUX → MOS 是主角
原因：可當低 Ron 開關、易整合
7.4 你要做功率驅動 → 看需求
- 功率 MOSFET：開關效率強、易做大電流
- BJT/IGBT：在某些高壓大功率領域仍有優勢（後段功率電子會提）
🧾 八、一句話記住本單元（你的版本＋加強記憶點）
⚔️ MOS vs BJT 的本質差異：
- 👉 MOS 是電場控制（高 Rin、適合整合與低功耗開關）
- 👉 BJT 是載子注入控制（高 gm 效率、適合高性能類比/精密）
選誰不是信仰，而是看你的任務與規格。
🔬 電子學實驗題（45/120）
實驗名稱
MOS 與 BJT 的「控制方式」差異量測：高 Rin vs 高 gm（實務版）
🎯 實驗目的
- 觀察 MOS Gate 幾乎不吃 DC 電流（高 Rin）
- 觀察 BJT 需要基極電流才能換到集電極電流（電流控制）
- 在相近偏壓電流下，比較兩者小訊號「控制力」的直覺差異
🧰 實驗器材
- NMOS（2N7000 等）
- NPN BJT（2N3904 等）
- 直流電源
- 電阻若干（偏壓、集電/汲電電阻）
- 萬用電表（建議 2 台：一台量電流、一台量電壓）
- （選配）小信號源/示波器（想看增益更直覺）
⚠️ 實驗前提醒（很重要，避免量不到或量壞）
- MOS 的 IG 非常小：一般萬用表可能會顯示 0 或跳動，這是正常的
- MOS Gate 很怕靜電：拿元件前先放電、不要摸 Gate 腳
- BJT 的 IB 相對好量，但要避免偏壓太大造成 IC 過大而過熱
- 所有電源先從低電壓開始（例如 5V），確認後再提高
🔧 實驗接線
A：MOS（量 IG 幾乎為 0）
目的：讓你看到「Gate 幾乎不吃 DC 電流，但 ID 會變」
+VDD
|
[RD] ← 汲極電阻：把 ID 轉成可量測的電壓變化
|
+------ D
|
| | NMOS (2N7000)
VG ---> | |
| |
|
+------ S
|
GND
✅ IG 量測接法（串在 Gate 路徑）
你要把電表「串」進 Gate 的供電路徑：
VG source (+) ---- (Ammeter) ---- Gate
VG source (-) ------------------- GND
你會觀察到：
- IG 幾乎 0（可能是 0.00 mA 或亂跳的極小數字）
- 但你一調 VG，ID 會明顯變（可以從 RD 上的壓降看出來）
✅ ID 的量測方法（兩種）
- 方法 1：直接串電表量 ID（比較麻煩，容易接錯）
- 方法 2（推薦）：量 RD 兩端電壓，再算 ID
- 量到 VRD = VDD − VD
- ID ≈ VRD / RD
B：BJT（量 IB 明顯存在）
目的：讓你看到「基極要付成本（IB）才換到 IC」
+VCC
|
[RC] ← 集極電阻：把 IC 轉成可量測壓降
|
+------ C
|
|\
Base ----->| > NPN (2N3904)
|/
|
+------ E
|
GND
✅ IB 量測接法（串在 Base 路徑）
把電表「串」在 Base 進入腳位前：
Vbias (+) ---- [RB] ---- (Ammeter) ---- Base
Vbias (-) ---------------------------- GND
你會觀察到：
- IB 明顯可量（例如幾十 µA 到幾百 µA，視 RB 與偏壓而定）
- IC 會跟著變大，而且在一定區間內 IC ≈ β·IB
✅ IC 的量測（推薦用 RC 壓降算）
- 量到 VRC = VCC − VC
- IC ≈ VRC / RC
🔧 實驗步驟（實務版，照做就會有結果）
Step 1：MOS — 觀察「幾乎不吃輸入 DC 電流」
- 設 VDD = 5V，選 RD（例如 1k～4.7k）
- 從 VG = 0V 慢慢往上調
- 同時量：
- IG（Gate 串電表）
- VD 或 VRD（用來推 ID）
- 記錄幾組點：VG、IG、VD、ID
你會看到：
- IG 幾乎不變（接近 0）
- ID 隨 VG 明顯上升
Step 2：BJT — 觀察「IB 是成本」
- 設 VCC = 5V，選 RC（例如 1k～4.7k）
- 用 RB 設定基極偏壓（避免直接硬推 Base）
- 逐步調 Vbias 或換 RB
- 同時量：
- IB（Base 串電表）
- VC 或 VRC（推 IC）
- 記錄幾組點：Vbias、IB、VC、IC
你會看到：
- IB 明顯存在
- IC 明顯跟著上升（而且比例大致固定在某範圍內）
Step 3（核心比較）：誰「用更小輸入成本」控制更大輸出？
你要比的不是絕對電流，而是控制方式：
- MOS：IG ~ 0，但 ID 變很多
- BJT：IB 有成本，但換來更可預測、較高控制力（gm）
Step 4（選配，小擾動看控制力：gm 直覺）
目標：同樣在某個工作點附近「微調輸入」，看輸出變化誰更敏感
- MOS：在某 VG 附近，微調 ΔVG，看 ΔID
- BJT：在某 VBE 附近，微調 ΔVBE，看 ΔIC
你會感覺到：
- BJT 對輸入小變化的「反應」常常更敏銳、更規律
- MOS 也能敏銳，但常需要更大尺寸/更大偏壓電流把 gm 拉上來
📊 預期觀察（你做完應該看到的現象）
- MOS：IG 幾乎量不到，但 ID 受 VG 強烈控制
- BJT：IB 可量測，且 IC ≈ β·IB（在一定範圍內）
✅ 專業解析
解析一：MOS 為什麼 IG 幾乎是 0？
因為 Gate 有氧化層隔離，像絕緣牆。
電流不應該穿過去（理想狀態）。 所以 DC 幾乎不吃電流。 但動態會吃：因為 Gate 是電容，切換時要充放電。
一句話：
👉 MOS 不是吃「電流」，是吃「充放電」。
解析二：BJT 為什麼一定有 IB？
因為你要把載子注入到基極結構裡，形成放大機制。
所以 IB 是天生的控制成本。 你投入 IB，才換得更大的 IC。
一句話：
👉 BJT 的放大是「先投資（IB）再放大（IC）」。
解析三：工程選型怎麼用這個實驗結果？
你做完就能把選型變成一句工程判斷：
- 如果你的系統要「大規模開關/低功耗/高整合」
👉 MOS/CMOS 幾乎必選 - 如果你的系統要「低雜訊、低電流但高性能、精密一致」
👉 BJT/BiCMOS 常更划算
🧠 實務應用對照（直接對接你會遇到的電路任務）
1) 取樣保持、MUX、開關電容電路：MOS 幾乎是主角
原因：
- MOS 可以當「可控電阻」
- Gate 控制方便、易整合
- 可做到很大規模的開關矩陣
你會在：
- ADC 前端取樣、類比多工器、開關電容濾波器看到大量 MOS
2) 精密 DC/低頻感測前端：BJT/BiCMOS 常出線
原因：
- 低頻噪聲更好處理
- gm/電流效率更漂亮（省電但強）
- 用退化、回授可做出很漂亮的線性
你會在：
- 微弱感測、儀表放大器、精密運放輸入級看到 BJT/雙極輸入對
3) Bandgap / 參考源 / 溫度特性利用：常見 BJT
原因：
- BJT 的 VBE 與溫度的關係是設計的寶藏
- 很多基準就是靠它做出溫漂互補
你會在：
- bandgap reference、溫度感測、偏壓產生器看到 BJT
4) SoC / MCU：數位必然 CMOS，但類比關鍵塊可能用 BiCMOS
原因：
- 數位需要密度與功耗
- 類比關鍵塊需要噪聲、gm、線性
- 所以「混血」很常見
你會在：
- 高階 RF/高速介面/精密電源管理晶片看到 BiCMOS 或雙極元件
🧾 最後一段：工程結論
👉 MOS 與 BJT 的差異，不是誰更強。
而是：在你的規格下，誰更划算、更可靠、更可量產。
- 要「超高輸入阻抗＋低功耗＋大規模整合」：MOS/CMOS
- 要「高 gm 效率＋低噪聲＋精密一致」：BJT/BiCMOS
