🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 想像通道從「無」到「有」的過程
- 理解 Vth 的物理意義（反轉剛發生）
- 知道哪些因素會改變 Vth（氧化層、摻雜、Body、溫度）
- 連結 Vth 與低功耗 / 高速的取捨（LVT/HVT）
🧭 一、先給核心直覺（工程版）
MOSFET 不是開關燈那種「啪」一下就變 0/1。
它比較像：👉 先把地面清乾淨 → 鋪出一條路 → 路越鋪越寬越好走
這條“路”就是 Channel（通道）。
🧑🏫 二、初學者：Vth 是「路開始連通」的門檻
把 NMOS 想成「地表下面本來是洞（P 型），你要用 Gate 把電子吸上來鋪路」。
- VGS 很小：只是把洞趕走一點點，路還沒通
- VGS 接近 Vth：路開始成形，勉強能走
- VGS 明顯大於 Vth：路鋪得很寬，電流才好走（RDS(on) 變小）
✅ 白話一句：
🚪 Vth 就是“路第一次真正連起來”的開門高度。
🧠 三、三個階段（更直覺 ASCII）
(1) VGS = 0：沒有路（洞為主）
Gate: 0V
----- (Gate)
===== (Oxide)
ooooo (P-sub 表面洞多)
(no channel)
(2) 小 VGS：先清場（洞變少，表面趨中性）
Gate: + +
----- (正電吸引電子)
===== (Oxide)
oo o (洞變少、開始被“推開”)
(still not continuous)
(3) VGS ≥ Vth：反轉完成 → 通道連通
Gate: +++++
-----
=====
eeeee (表面電子層形成)
========= (連續通道)
🧠 四、Vth 的真正意義（工程上怎麼理解）
Vth 代表：
- 👉 表面剛好“反轉”（電子開始超過電洞）
- 👉 通道“開始連通”的門檻
但要注意：
✅ Vth 不是神奇的開關點
- 過了 Vth 只是“開始能通”
- 真正「很導通」通常要 VGS 〉〉 Vth 才會明顯變強
🧠 五、哪些因素會影響 Vth（用直覺記）
1) Oxide 厚度（tox）
- Oxide 越薄：電場越強 → Vth 往下（更好開）
- Oxide 越厚：較難吸到足夠電子 → Vth 往上
2) 摻雜濃度（P-sub 越重）
- P-sub 摻雜越重：洞越多、越難反轉 → Vth 往上
3) Body 電壓（Body effect）
- NMOS 若 Source 在 0V，但 Body 不是 0V（或 Source 被抬高）
- 通常會讓反轉更難 → Vth 變大
白話：
👉 地板（Body）被拉走了，你鋪路更辛苦。
4) 溫度
常見工程直覺（定性就好）：
- 溫度變高會讓特性漂移，Vth 往往會下降一些
- 但同時漏電會更明顯（後面功耗會更痛）
🧠 六、工程設計上的 Vth 類型（選擇就是取捨）
- LVT（低 Vth）：開得快、速度快 ✅ 但漏電大 ❌
- SVT（標準）：折衷
- HVT（高 Vth）：漏電小、待機省電 ✅ 但速度慢 ❌
工程直覺總結：
Vth ↓ → 更快 → 更漏（Leakage ↑）
Vth ↑ → 更省電 → 更慢
🧾 七、一句話記住
🚪 Vth 是 MOS 的開門高度：過門只是開始通，走得順要更高 VGS。
🔬 電子學實驗題（38/120）
實驗名稱：量測 MOS 臨界電壓 Vth
🎯 實驗目的
找出 MOS 「開始明顯導通」的 VGS，並理解：
- Vth 是門檻，不是瞬間全開
🧰 器材
- NMOS（2N7000/BS170/其他）
- 直流電源（VDD、VG 可共用分壓）
- 電阻 RD
- 萬用電表（至少一支）
- （可選）可變電阻（當 VG 旋鈕）
🔧 實驗接線 ASCII（基本版：最容易做）
+VDD
|
[RD]
|
o---- D (量 Vd)
| | |
VG ---- o----| | NMOS
(量 Vg) | |
|
S
|
GND
✅ 量測法 A：初學者最直覺（找 “膝點”）
步驟
- 固定 VDD（例 5V），RD 先用 1k～10k（越大越安全、變化更明顯）
- 慢慢調 VG：0 → 5V（小步進）
- 每一點量 Vd
- 用 Vd 推 ID：
- ID ≈ (VDD − Vd) / RD
判讀
- VG 很小：ID 幾乎 0，Vd ≈ VDD
- VG 到某段後：Vd 開始掉、ID 明顯起來
👉 這段開始起來的位置，你就可稱為「量測上的 Vth（實務門檻）」
✅ 這方法好處：超直覺
⚠️ 缺點：會受 RD、VDD、你定義“明顯”的標準影響（所以叫“實務 Vth”）
✅ 量測法 B：更像 datasheet 定義（固定電流法，較標準）
Datasheet 常用定義：
👉 VGS 在某個指定 ID（例如 250 µA）時的值
作法（概念版，照做即可）
- 選大一點 RD（例如 100kΩ）讓電流落在 µA～mA 範圍
- 調 VG，直到你算到 ID ≈ 指定值（例 250 µA）
- 此時的 VGS 就是較接近 datasheet 的 Vth 定義
📊 預期觀察
- ID 對 VG 不是直線，是「慢慢起來 → 越來越快」
- Vth 附近會看到 “膝點”：
ID
│ /
│ /
│ /
│__/
└──────── VG
Vth
✅ 實務說明與避坑（超常見）
- VG 與 VDD 要共地：不共地 VGS 會亂
- 不要把 Gate 懸空：會像天線，數據飄
- Vth ≠ Fully ON：
你用 5V 驅動，若不是 logic-level MOS，可能“剛開”但 RDS(on) 還很大 - 溫度會影響：手摸、吹風都可能讓 Vth 漂一點（很正常）
🧠 工程結論
👉 Vth 是功耗與速度的核心旋鈕：
- 想快：用低 Vth（但漏電更痛）
- 想省電：用高 Vth（但速度較慢）
而真正“好導通”，往往要 VGS 比 Vth 高出一段，才能把 RDS(on) 拉下來。
