我们知道一个完整半导体：其中一部分掺入受主杂质原子形成P区，而相邻的另一部分掺入施主杂质形成N区，分割成P区与N区的交界面称为冶金结。

起初在冶金结所处的位置，电子和空穴都有一个很大的浓度梯度，两边载流子：N区的“自由电子”和P区的“空穴”分别向对端扩散，随着N区自由电子向P区扩散，带正电的施主离子被留在了N区，同时随着P区的空穴向N区扩散，带负电的受主离子留在了P区，从而在冶金结附近感生出了一个内建电场，方向是由N区指向P区。

这两个带电区域就是：空间电荷区，又称为耗尽区。这是以电子“扩散”的理论来解释PN结的形成，那么如果用费米能级怎么来理解PN结呢？

1. 假设PN结两端没有外加电压偏置，那么PN结处于热平衡状态：整个半导体费米能级处处相等（如果费米能级不相等，PN结两边必然存在着能量的差异，将导致电子和空穴向着各自能量更低的方向转移（原理同热力学第二定律），直到费米能级平衡，能量差异消失：电子和空穴的分布也即趋于稳定），且是一个恒定值。

由于P区和N区之间导带和价带相对位置会随费米能级的变化而变化，所以空间电荷区所在位置的导带和价带发生弯曲，如下图所示。

2. 此时N区导带内的“自由电子”在试图进入P区导带时遇到了一个势垒：内建电势差eVbi；该内建电势差维持了N区多子（自由电子）和P区少子（自由电子）之间以及P区多子（空穴）与N区少子（空穴）之间的平衡。eVbi维持了平衡状态，因此它在半导体内部不产生电流。

3. 若在P区和N区之间增加一个电压，那么PN结就不能再处在热平衡状态（热平衡状态不再满足）。

1, PN区外加反向偏压时：N区的费米能级要低于P区费米能级的位置，两者费米能级的差值刚好等于外加电压值(VR)*电子电量e；总电势差eVtotal=VR+Vbi。

增加了的势垒高度继续阻止电子与空穴的流动，因此PN结内基本没有电荷（多子）的流动。

2, PN区外加正向偏压时：P区费米能级要低于N区费米能级的位置，总势垒高度下降了：eVtotal=Vbi-VR。

降低了的势垒高度意味着空间电荷区的电场随之减弱，电场减弱则意味着原先扩散电流与漂移电流平衡被打破，电子和空穴不再分别滞留在N区和P区，于是就有由P区经空间电荷区到N区的“扩散空穴电流”，同理有由N区经空间电荷区到P区的“扩散电子电流”。

4. 热平衡状态下PN结导带能量图如下图所示：导带内N区电子数量远大于P区，内建电场阻止了N区自由电子向P区流动，即：内建电势差维持了PN结两侧各区域载流子之间的分布平衡。

5. PN结反偏产生电流：对于反偏PN结，一般认为在空间电荷区内不存在可移动的电子和空穴，但实际上在反偏电压下，空间电荷区内产生了自由电子-空穴对。

这些自由电子与空穴试图重新建立热平衡，而过剩自由电子与空穴的复合过程就是重新建立热平衡的过程。

这些自由电子和空穴一旦产生，就被电场扫出空间电荷区。由空间荷区自由电子和空穴移动所产生的电流，就是PN结反向电流。

理想反向饱和电流密度与反向偏压无关，但实际反偏电流却跟空间电荷区宽度（反向偏压）有关，所以反偏电流密度不再与反偏电压无关。

6. PN结正偏电流，PN结总正偏电流密度是：复合电流密度和理想扩散电流密度之和； 如图为对数坐标上的复合电流和理想扩散电流，两条曲线的斜率不同；电流密度较低时（小注入）复合电流占主导，而电流密度较高（大注入）时，扩散电流占主导地位（电导调制作用）。

1, PN结正偏复合电流：当PN结外加正偏电压时，自由电子和空穴穿过空间电荷区注入到相应的区域，空间电荷区没有过剩载流子，因此自由电子和空穴在穿越空间电荷区时有部分载流子会发生复合，而并不成为少子分布的一部分；

2, 理想扩散电流密度：如下图显示为电中性N区内的少子（空穴）的浓度，该少子分布形成了PN结的理想扩散电流密度，且它是外加电压与少子（空穴）扩散长度的函数；

7. 反向PN结击穿：对于理想PN结反向偏压，会在PN结内形成一股很小的反偏电流，但是反偏电压不能无限制地增加。