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半导体是介于导体和绝缘体之间的特殊材料。硅是最重要的半导体材料，硅原子有四个价电子，在晶体中通过共价键相互连接。在纯净的硅晶体中，所有电子都被束缚在共价键中。但当温度升高时，一些电子获得足够能量脱离共价键，成为自由电子，同时留下带正电的空穴。这种电子空穴对的产生是半导体导电的基础。
为了改变半导体的导电性质，我们需要进行掺杂。N型掺杂是在纯净硅中掺入少量磷原子。磷原子有五个价电子，比硅原子多一个，这个多余的电子很容易脱离原子核成为自由电子，大大提高了材料的导电能力。P型掺杂则是掺入硼原子，硼原子只有三个价电子，比硅原子少一个，这就在晶格中产生了空穴。空穴可以接受电子，也能够移动，成为P型半导体的主要载流子。
当P型和N型半导体紧密接触时，会发生载流子的扩散过程。N区中的自由电子浓度高，会向P区扩散；P区中的空穴浓度高，会向N区扩散。电子和空穴在接触面附近复合，留下了不能移动的电离杂质原子。N区一侧留下带正电的磷离子，P区一侧留下带负电的硼离子，形成了耗尽层。这些固定电荷产生内建电场，方向从N区指向P区，阻止载流子的进一步扩散，最终达到平衡状态。
PN结最重要的特性是单向导电性，这可以通过伏安特性曲线清楚地看出。当给PN结加正向电压时，P区接正极，N区接负极，外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，耗尽层变窄，载流子容易通过，形成较大的正向电流。当加反向电压时，P区接负极，N区接正极，外加电场与内建电场方向相同，加强了内建电场，耗尽层变宽，阻止载流子通过，只有很小的反向漏电流。当反向电压超过击穿电压时，会发生雪崩击穿，电流急剧增大。
PN结在现代电子技术中有着极其广泛的应用。二极管是最基本的PN结器件，利用其单向导电性实现交流电整流，将交流电转换为直流电。太阳能电池是另一个重要应用，当光照射到PN结时，产生光生载流子，在内建电场作用下分离，形成光电流，实现光能到电能的转换。发光二极管LED则是相反的过程，当正向电流通过PN结时，电子和空穴复合释放能量，以光的形式发出。这些应用充分展现了PN结在能源转换、信号处理、照明显示等领域的重要作用，为现代电子工业和信息技术的发展奠定了坚实基础。