當(dāng)柵與襯底之間存在壓差時(shí)，它們之間存在電場(chǎng)，靜電邊界條件使多晶硅靠近氧化層界面附近的能帶發(fā)生彎曲，并且電荷耗盡，從而形成多晶硅柵耗盡區(qū)。該耗盡區(qū)會(huì)在多晶硅柵與柵氧化層之間產(chǎn)生一個(gè)額外的串聯(lián)電容。當(dāng)柵氧化層厚度減小到 2nm 以下，此電容的影響也會(huì)變得越來越嚴(yán)重，已經(jīng)不再可以忽略。

多晶硅柵耗盡的寬度不像襯底量子效應(yīng)那么復(fù)雜，它只需要采用簡(jiǎn)單的靜電學(xué)就可以估算柵耗盡區(qū)的寬度。重?fù)诫s的柵的摻雜濃度比輕摻雜的溝道的摻雜濃度要高，在亞閾值區(qū)，氧化層界面電位移的連續(xù)性意味著柵極的能帶彎曲小于襯底的能帶彎曲。考慮一個(gè)偏置到反型區(qū)的NMOS 的n型重?fù)诫s的多晶硅，平帶電壓（VFB）和襯底電壓降（Φs）、柵電壓降（Φg）、氧化層電壓降（Vox）之和等于柵壓（Vg）：

利用柵氧化層的邊界條件和高斯定理對(duì)公式（2-17）進(jìn)行化簡(jiǎn)求解，當(dāng)Vg＞Vth時(shí)，求得柵耗盡的寬度Xgd的公式如下：

圖2~21a所示為柵極耗盡層的寬度Xgd，圖2-21b所示為柵耗盡的等效電容、柵氧化層的等效電容和襯底量子效應(yīng)的等效電容的等效電路圖，圖2-21c所示為柵耗盡和襯底量子化的示意圖。