采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体在同一块半导体(通常是硅或锗）在它们的交界面上形成基片空间电荷区称为PN结（英语：PN junction）。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。
原理
杂质半导体
（N为Negative因为电子带负电荷并得名):掺入少量杂质磷元素（或锑元素）在硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子中的四个与周围的半导体原子形成共价键，多余的电子几乎不受约束，更容易成为。于是，N由于自由电子导电，半导体成为含电子浓度较高的半导体。
（P为Positive因为空穴带正电并得名):掺入少量杂质硼(或锆)元素在硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键，会产生一个”，这个洞穴可能会吸引束缚电子填充，使硼原子成为负电离子。这样，这种半导体就可以导电，因为它含有高浓度的洞穴（相当于正电荷）。
PN结的形成
PN由N型掺杂区和P型掺杂区紧密接触组成，其接触界面称为冶金结界面。
在一个完整的硅片上，一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两个半导体接口附近的区域为PN结。
P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区的自由电子是多子，空穴几乎为零，而P型区的空穴是多子，自由电子是少子，电子和空穴的浓度差出现在它们的交界处。因为自由电子和空穴浓度差原因是有的电子从N型区扩散到P型区，有的空穴从P型区扩散到N型区。因此，它们的扩散使P区失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区域一侧失去电子，留下带正电的杂质离子。半导体中的离子不能随意移动，因此不参与导电。P和N空间电荷区在区交界面附近形成，与掺杂物浓度有关。
空间电荷区形成后，由于正负电荷的相互作用，在空间电荷区形成内电场，其方向是从带正电的N区到带负电的P区。显然，该电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，以防止扩散。
另一方面，该电场将使N区的少数载流子空穴漂移到P区，使P区的少数载流子电子漂移到N区。漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原交界面P区丢失的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原交界面N区丢失的电子，减少了空间电荷和内电场。因此，漂移的结果是缩小空间电荷区，加强扩散。
最后，多子体的扩散和少子体的漂移达到了动态平衡。离子薄层留在P型半导体和N型半导体结合面的两侧，称为空间电荷区PN结。PN内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，也叫耗尽层，因为缺少多子。
特性
特性概述
从PN可见结的形成原理，要想让PN结导通形成电流，必须消除空间电荷区内部电场的阻力。显然，给它增加一个更大的反向电场，即P区连接外部电源的正极，N区域连接负极可抵消其内部自建电场，使载流子继续移动，形成线性正电流。反向电压相当于内部电场的阻力，PN由于少数载流子数量有限，电流饱和，只有极微弱的反向电流(由少数载流子的漂移运动形成)。当反向电压增加到一定值时，由于少子的数量和能量增加，会碰撞破坏内部共价键，释放原束缚的电子和空穴，不断增加电流，最终PN结被击穿(变成导体)损坏，反向电流急剧增加。
这就是PN结的特性（单向导通、反向饱和泄漏或穿透导体）也是晶体管和集成电路最基本、最重要的物理原理。所有基于晶体管的复杂电路都离不开它。例如，二极管是基于PN结的单向导通原理工作；一个PNP结构可以形成包含两个三极管的三极管PN结。二极管和三极管是电子电路中最基本的部件。
反向击穿性
PN结加时，空间电荷区变宽，区内电场增强。当反向电压增加到一定程度时，反向电流会突然增加。如果外部电路不能限制电流，电流会太大PN结烧毁。当反向电流突然增加时，电压称为击穿电压。有两种基本的击穿机构，即隧道击穿(也称齐纳击穿)和雪崩击穿，前者击穿电压小于6V，负温度系数大于6V，具有正温度系数。
：当阻挡层中的载流子漂移速度随着内部电场的增加而相应加快到一定程度时，其动能足以将束缚在共价键中的价格电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对在强电场的作用下，新产生的载流子与其他中性原子碰撞，产生新的自由电子空穴对。混合浓度较低的雪崩击穿发生在混合浓度较低的雪崩中PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。
：齐纳击穿通常发生在高浓度的混合物中PN结内。由于掺杂浓度高，PN结很窄，即使施加较小的反向电压(5)V以下），结层中的电场却很强（可达2.5×105V/m左右）。在强电场的作用下，强行促进PN结内原子的价格电子从共价键中拉出，形成"电子一空穴对"，从而产生大量的载流子。在反向电压的作用下，它们形成大量的反向电流，并被击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。
采用适当的掺杂工艺，硅PN雪崩击穿电压可控制在8~1000V。齐纳击穿电压低于5V。在5～8V两种击穿可能同时发生。
：当pn当施加反向电压时，流过pn结的反向电流会导致热损失。当反向电压逐渐增加时，一定反向电流的功率也会增加，这将产生大量的热量。如果没有良好的散热条件来及时传递这些热能，它将导致结温升高。这种由热不稳定性引起的击穿称为热电击穿。
：温度升高后，晶格振动加剧，导致载流子运动平坦 自由距离缩短，碰撞前动能降低。雪崩击穿必须增加反向电压才能具有正温度系数，但温度升高，共价键中的价格电子能量状态较高，因此齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负温度系数。
单向导电性
（1）PN结时导通
如果电源的正极接P区和负极接N区，则部分正向电压降落在PN结区，PN结在正偏。电流从P型流向N型，空穴和电子向界面移动，缩小空间电荷区，电流顺利通过，方向和方向PN相反，结内电场的方向削弱了内电场。因此，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流增加。扩散电流远大于漂移电流，可以忽略漂移电流的影响，PN结呈低阻性。
（2）PN结时截止
如果电源的正极接N区和负极接P区，则部分反向电压降落在PN结区，PN结处于反向偏置。然后空穴和电子向远离界面的方向移动，使空间电荷区变宽，电流不能流动，方向和PN内电场方向相同，内电场得到加强。内电场对多子扩散运动的阻碍增加，扩散电流大大降低。PN在内电场的作用下，结区少子形成漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
伏安特性
PN结的伏安特性（外特性）如图所示，它直观形象地表示了PN结的单向导电性。
PN结伏安特性曲线
伏安特性的表达式为：
式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压，VT为温度的电压当量，
，其中k为波耳兹曼常数（1.38×10-23J/K），T为热力学温度，即绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10-19C）。在常温下，VT ≈26mV。Is为反向饱和电流，对于分立器件，其典型值为10-8~10-14A的范围内。集成电路中二极管PN结，其Is值则更小。
当vD>>0，且vD>VT时，
；
当vD<0，且
电容特性
PN结加时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变，主要有势垒电容（CB）和扩散电容（CD）。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。
：势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化。势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷，电荷量随外加电压而变化，称为势垒电容，用CB表示，其值为：
。在PN结反偏时结电阻很大，CB的作用不能忽视，特别是在高频时，它对电路有较大的影响。 [9] CB不是恒值，而是随V而变化，利用该特性可制作变容二极管。
PN结有突变结和缓变结，现考虑突变结情况，PN结相当于平板电容器，虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄 但这个变化比较小可以忽略，则
，已知动态平衡下阻挡层的宽度L0，代入上式可得：
。
：PN结正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要求有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，当外加电压变化时，有载流子向PN结“充入”和“放出”。PN结的扩散电容CD描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化的电容效应。 [10]
因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如右图所示。
CD是非线性电容，PN结正偏时，CD较大，反偏时载流子数目很少，因此反偏时扩散电容数值很小。一般可以忽略。
：PN结的总电容Cj为CT和CD两者之和Cj = CT+CD ，外加正向电 压CD很大， Cj以扩散电容为主（几十pF到几千pF） ，外加反向电压CD趋于零，Cj以势垒电容为主（几pF到几十pF到）。
应用
根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。
稳压二极管
PN结一旦击穿后，尽管反向电流急剧变化，但其端电压几 乎不变（近似为VBR，只要限制它的反
向电流，PN结 就不会烧坏，利用这一特性可制成稳压二极管，其电路符号及伏安特性如上图所示：其主要参数有： VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax。
变容二极管
PN结反偏时，反向电流很小，近似开路，因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件，且其增量电容值随外加电压而变化 利用该特性可制作变容二极管，变容二极管在非线性电路中应用较广泛， 如压控振荡器、频率调制等。
发展过程
1935年后贝尔实验室的一批科学家转向研究Si材料，1940年，用真空熔炼方法拉制出多晶Si棒并且掌握了掺入Ⅲ、Ⅴ族杂质元素来制造P型和N型多晶Si的技术。还用生长过程中掺杂的方法制造出第一个Si的PN结，发现了Si中杂质元素的分凝现象，以及施主和受主杂质的补偿作用。
1948年，威廉·肖克利的论文《半导体中的P-N结和P-N结型晶体管的理论》发表于贝尔实验室内部刊物。
制造工艺
PN结是构成各种半导体器件的基础。制造PN结的方法有：
制造异质结通常采用外延生长法。
（1）外延方法：突变PN结；
（2）扩散方法：缓变PN结；
（3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间；
PN 结的击穿机理
PN 结构成了几乎所有半导体功率器件的基础，常用的半导体功率器件如DMOS，IGBT，SCR 等的反向阻断能力都直接取决于 PN 结的击穿电压，因此，PN 结反向阻断特性的优劣直接决定了半导体功率器件的可靠性及适用范围。在 PN结两边掺杂浓度为固定值的条件下，一般认为除 super junction 之外平行平面结的击穿电压在所有平面结中具有最高的击穿电压。实际的功率半导体器件的制造过程一般会在 PN 结的边缘引入球面或柱面边界，该边界位置的击穿电压低于平行平面结的击穿电压，使功率半导体器件的击穿电压降低。由此产生了一系列的结终端技术来消除或减弱球面结或柱面结的曲率效应，使实际制造出的 PN 结的击穿电压接近或等于理想的平行平面结击穿电压。
当 PN 结的反向偏压较高时，会发生由于碰撞电离引发的电击穿，即雪崩击穿。存在于半导体晶体中的自由载流子在耗尽区内建电场的作用下被加速其能量不断增加，直到与半导体晶格发生碰撞，碰撞过程释放的能量可能使价键断开产生新的电子空穴对。新的电子空穴对又分别被加速与晶格发生碰撞，如果平均每个电子（或空穴）在经过耗尽区的过程中可以产生大于 1 对的电子空穴对，那么该过程可以不断被加强，最终达到耗尽区载流子数目激增，PN 结发生雪崩击穿。