在PN結(jié)形成之前，在N型材料中有相同數(shù)目的電子和質(zhì)子，因此形成電中性而不含任何靜電荷。這對(duì)于P型材料同樣適用。
    當(dāng)PN結(jié)形成的時(shí)候，N型區(qū)會(huì)因?yàn)樽杂呻娮訑U(kuò)散通過(guò)結(jié)面，造成自由電子的數(shù)目減少。這會(huì)在靠近結(jié)面的地方形成一層正電荷（五價(jià)離子）。當(dāng)電子移動(dòng)跨過(guò)結(jié)面，P型區(qū)會(huì)因?yàn)殡娮优c空穴的結(jié)合而損失一些空穴。這會(huì)在靠近結(jié)面的地方形成一層負(fù)電荷（三價(jià)離子）。這兩層的正負(fù)電荷就形成耗盡區(qū)( depletion region)，如圖1.18(b)所示。耗盡區(qū)這個(gè)名詞是反映在接近PN結(jié)的區(qū)域缺乏電荷載流子（電子和空穴）的現(xiàn)象，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)結(jié)面的擴(kuò)散作用所造成的。耗盡區(qū)形成的速度很快，而且與P型區(qū)和N型區(qū)比較起來(lái)，空乏區(qū)的厚度很薄。
    在大量的自由電子一開(kāi)始通過(guò)結(jié)面進(jìn)行擴(kuò)散動(dòng)作時(shí)，耗盡區(qū)會(huì)一直擴(kuò)大直到達(dá)成平衡為止，然后就不再有電子會(huì)擴(kuò)散經(jīng)過(guò)結(jié)面。這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生的過(guò)程如下。當(dāng)電子持續(xù)擴(kuò)散經(jīng)過(guò)結(jié)面，越來(lái)越多的正電荷和負(fù)電荷會(huì)在結(jié)面附近產(chǎn)生，因而形成耗盡區(qū)。當(dāng)耗盡區(qū)的所有負(fù)電荷能夠排斥電子的進(jìn)一步擴(kuò)散時(shí)，就像同性電荷彼此排斥的現(xiàn)象，擴(kuò)散也就停止下來(lái)。換句話說(shuō)，耗盡區(qū)是電子進(jìn)一步擴(kuò)散并通過(guò)結(jié)面的一種障礙。
    任何時(shí)候，當(dāng)正、員電荷彼此靠近時(shí)，都會(huì)依照庫(kù)侖定律產(chǎn)生作用力，作用在電荷上。在耗盡’區(qū)內(nèi)，PN結(jié)的兩邊分別存在著許多的正電荷和負(fù)電荷。在相反電荷之間的作用力形成一個(gè)“作用力場(chǎng)”，我們稱之為“電場(chǎng)”，如圖1. 18(b)中以正負(fù)電荷之間的箭頭表示。這個(gè)電場(chǎng)對(duì)于N型區(qū)的自由電子形成一種障礙，要移動(dòng)電子穿過(guò)這個(gè)電場(chǎng)需要花費(fèi)能量。也就是外界必須提供能量，讓電子能夠通過(guò)耗盡區(qū)的電場(chǎng)障礙。
    電場(chǎng)在耗盡區(qū)所產(chǎn)生的電位差，就是電子通過(guò)這個(gè)電場(chǎng)所需的電壓。這個(gè)電位差又稱為門(mén)檻電壓( barrierpotential)，單位是伏[特]。換一種說(shuō)法，若能在PN結(jié)兩端施以等于門(mén)檻電壓的電壓，且電壓的極性正確的話，就能讓電子通過(guò)結(jié)面。在第1.7節(jié)介紹偏壓時(shí)，將會(huì)再詳細(xì)說(shuō)明此點(diǎn)。
    在PN結(jié)處所形成的門(mén)檻電壓是由幾項(xiàng)因素決定的，包括半導(dǎo)體材料的種類、摻雜的程度和溫度等。在室溫25℃下，標(biāo)準(zhǔn)硅晶體的門(mén)檻電壓大約是0. 7V，而鍺晶體是0.3V。以后在本書(shū)除了特別說(shuō)明之外，都以硅晶體作為例子。
   2.PN結(jié)的能階圖和耗盡區(qū)
    N型材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶的能階稍低于P型材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶。這是由于五價(jià)和三價(jià)雜質(zhì)原子在特性上的差異所造成。
    圖1.19(a)示出PN緒形成瞬間的能階圖。你可以看出，N型材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶的能階稍低于N型材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶，但雙方仍有大部分是重疊著的。
    至于N型區(qū)位在導(dǎo)帶上半部的自由電子，以它們的能量來(lái)說(shuō)，可以很容易地?cái)U(kuò)散并通過(guò)結(jié)面（不需要額外的能量），暫時(shí)成為P型區(qū)導(dǎo)帶下半部的自由電子。在通過(guò)結(jié)面之后，電子會(huì)很快地失去能量而跌入P型區(qū)價(jià)帶的空穴中，如圖1.19(a)所示。

        
    當(dāng)擴(kuò)散持續(xù)進(jìn)行，耗盡區(qū)開(kāi)始形成，而N型區(qū)導(dǎo)帶的能階也逐漸降低。N型區(qū)導(dǎo)帶能階降低的原因，是由于損失部分含有較高能量的電子經(jīng)過(guò)擴(kuò)散通過(guò)結(jié)面進(jìn)入P型區(qū)所造成的。
    不久，在N型區(qū)導(dǎo)帶就沒(méi)有電子擁有足夠的能量，J108-D26Z 可以跨越過(guò)結(jié)面進(jìn)入P型區(qū)的導(dǎo)帶，就如同圖1. 19(b)中所示，N型區(qū)導(dǎo)帶的上緣已與P型區(qū)導(dǎo)帶的下緣切齊。到此，結(jié)面就處于平衡狀態(tài)。因?yàn)閿U(kuò)散作用已經(jīng)停止，耗盡區(qū)也形成了。在通過(guò)耗盡區(qū)時(shí)，能量逐漸升高，就像一座能量被一樣，電子必須越過(guò)這個(gè)能量障礙才可以到達(dá)P型區(qū)。
    值得注意的是，當(dāng)N型區(qū)導(dǎo)帶的能階往下移動(dòng)昀時(shí)候，價(jià)帶的能階也隨著向下移動(dòng)。此時(shí)，價(jià)電子仍需要獲得同樣的能量才能成為自由電子。換句話說(shuō)，在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙仍保持相同的間隔。