Приложенное к МДП структуре внешнее напряжение U распределяется между диэлектриком U_i полупроводником j_S:

.                                                       (21)

Емкость МДП структуры зависит от U. Для описания зависимости C( U) удобно воспользоваться понятием дифференциальной емкости, равной по определению

.

Учитывая выражение (21), можно записать

,                            (22)

где  - удельная емкость плоского конденсатора со слоем диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε_i и толщиной d_i; C_SC - удельная дифференциальная емкость ОПЗ полупроводника.

Уравнению (22) соответствует эквивалентная схема идеальной МДП структуры, представленная на рис.11.

Емкость C_SC является функцией поверхностного потенциала j_S и может быть вычислена дифференцированием выражения (6) по j_S:

         (23)

В режиме плоских зон  емкость  равна

                                          (24)

В этом можно убедиться, используя разложение в ряд по степеням  экспоненциальных членов, входящих в формулу (23).

Выражение (12), а также условие непрерывности нормальной составляющей вектора электрической индукции на границе диэлектрик – полупроводник

                              (25)

устанавливают связь между U_i и . Зависимость емкости С от внешнего смещения U полностью определяется соотношениями (15), (21) – (25).

Для измерения емкости МДП структуры используют малый переменный сигнал ∆U, амплитуда которого незначительно отличается от φ_T, (обычно, ∆U=20 - 30 мВ при комнатной температуре). Постоянное смещение U определяет величину поверхностного потенциала φ_S, то есть изгиб зон в приповерхностной области и ширину ОПЗ. Переменный измерительный сигнал ∆U позволяет определить дифференциальную емкость МДП структуры, соответствующую заданному значению U. Изменение заряда в ОПЗ под действием изменения смещения на ∆U≈dU происходит не мгновенно, а определеятся различной скоростью отклика для разных режимов смещения МДП структуры.

При обогащении и обеднении заряд dQ_SC, создаваемый малым переменным сигналом  возникает на границе ОПЗ и нейтрального объема полупроводника и обусловлен периодическим смещением внутренней границы ОПЗ под действием переменного напряжения. Изменение заряда происходит за счет протекания тока основных носителей через объем полупроводника и характеризуется постоянной величиной τ_M, называемой временем релаксации Максвелла. Время релаксации Максвелла τ_M очень мало (≤1·10^-11 с) и определяется выражением

,

где σ - проводимость полупроводника.

Ясно, что при измерении емкости на частотах  величина емкости не будет зависеть от частоты измерительного сигнал ω.

При инверсии в приповерхностной области полупроводника формируется слой неосновных носителей – инверсионный слой, который отделен от объема полупроводника областью обеднения. Образование инверсионного слоя происходит за счет диффузии неосновных носителей из объема к поверхности и тепловой генерации неосновных носителей в ОПЗ. Как правило, определяющим является процесс генерации – рекомбинации, а время установления инверсного слоя в Si составляет τ_inv~1·10^-2 с.

При малой частоте измерительного сигнала (ωτ_inv«1) заряд в инверсионном слое успевает следовать за изменением сигнала и дифференциальная емкость ОПЗ определяется изменением заряда в инверсном слое и вычисляется по формуле (23). При высокой частоте (ωτ_inv»1) заряд в инверсном слое остается постоянным, а изменение заряда в ОПЗ происходит лишь за счет изменения на dQ_SC заряда в обедненном слое на границе с нейтральным объемом полупроводника. Поскольку в режиме сильной инверсии толщина ОПЗ постоянна и определяется выражением (20), высокочастотная емкость ОПЗ полупроводника минимальна и равна

.                  (26)

Низкочастотная (НЧ) ВФХ МДП структуры (ωτ_inv«1) представлена на рис.12 (НЧ).

При положительном постоянном смещении у поверхности полупроводника возникает обогащенный слой. Емкость ОПЗ в режиме обогащения изменяется, как  и значительно больше C_i. Поэтому полная емкость МДП структуры близка к C_i.

При уменьшении U емкость C уменьшается и при U=0 (φ_S при этом обращается в нуль) принимает значение емкости плоских зон

.                                          (27)

При отрицательном смещении электроны уходят из приповерхностного слоя полупроводника, что приводит к образованию обедненной области. Ширина этой области W увеличивается с ростом отрицательного смещения U, а емкость  соответственно уменьшается пропорционально . Эта зависимость имеет наглядную интерпретацию. В самом деле, так как C_SC~ , а величина W согласно выражению (26) меняется, как , следовательно, C_SC должна меняться ~ .

При больших отрицательных смещениях в приповерхностной области образуется инверсный слой. Изменение емкости ОПЗ при изменении поверхностного потенциала в режиме инверсии находим, используя формулу (23) и учитывая, что  и »1. При этом емкость C_SC равна

.                             (28)

C_SC при сильной инверсии много больше C_i, составляющей для МДП структуры с d_i=100 нм величину приблизительно 3∙10^-4 Ф∙м^-2. Поэтому согласно формуле (22) при больших отрицательных смещениях C≈ C_i (рис.12).

При высоких частотах измерительного сигнала (ωτ_inv»1) ВФХ МДП структуры повторяет низкочастотную кривую вплоть до режима сильной инверсии (рис.11). Емкость C_SC в режиме сильной инверсии не изменяется при увеличении отрицательного смещения и определяется выражением (26): минимальная высокочастотная емкость С_min.

.                                                (29)

Экспериментальное исследование структур Me-SiO₂-Si показало, что C- U характеристики типа (НЧ) (рис.11) наблюдаются при частотах порядка нескольких десятков Гц.