MOSダイオード
反転層として十分な電子が現れるのは、空乏層の固定電荷であるアクセプタ原子の密度と同等の電子密度になった場合であり、そのためには界面での(n型方向の)フェルミ準位が基板の(p型方向の)フェルミ準位とほぼ等しくなる必要がある。
すなわち、p型基板のフェルミ準位がバンド中央の真性フェルミレベルから測って − φ F {\displaystyle -\phi _{F}} だとすると、界面が反転するにはバンドが 2 φ F {\displaystyle 2\phi _{F}} だけ曲がる必要があると言う事になる。一旦反転層に電子が蓄積されるようになると、それ以上に高い電圧をゲート電極に印加しても反転層の電子密度が高くなるだけで、空乏層の伸びはほぼ無視できるので余分な電圧はゲート絶縁膜に吸収されると考えてよい。従って、閾値電圧 V t h {\displaystyle V_{th}} はゲート絶縁膜にかかる電圧 V o x {\displaystyle V_{ox}} とシリコンのバンドの曲がり分 − 2 φ F {\displaystyle -2\phi _{F}} の合計になる。
現実的には、ゲート絶縁膜中に存在する電荷や界面準位(Qss)によってフラットバンド電圧も変化するので、MOSキャパシタの閾値電圧はその影響も受ける。
接続前
熱平衡(空乏)
フラットバンド
蓄積
反転