擴散和漂移
- 擴散：因為濃度差產生的運動。
- 漂移：因為電位差產生的運動。
PN結的形成
1. 初始狀態
- 圖示的綠色表示原子沒有帶電，紅色表示帶正電，灰色表示帶負電。
- P區綠色的三價硼原子，每加入一個硼原子，就產生一個空穴，圖中用中空的黑圈表示。
- N區綠色的五價磷原子，每加入一個磷原子，就產生一個自由電子，圖中用實心的黑點表示。
- 初始狀態是還沒有發生擴散運動時的狀態，P區的每一個硼原子由不能移動的負離子和空穴組成，整體顯電中性；N區的每一個磷原子由不能移動的正離子和自由電子組成，整體顯電中性。
2. 擴散運動
- P區的空穴是多子，吸引附近的束縛電子產生移動，P型半導體的空穴數目是固定的，空穴的移動從單個空穴來看是無規律的。雖然空穴一直在運動，但從宏觀上來看，擴散運動會導致空穴的均勻分布。N型半導體類似。
- 當P型半導體和N型半導體形成PN結，在PN結交界的地方，因為濃度差產生擴散運動，P區空穴向N區擴散，N區自由電子向P區擴散。
- 從本質而言，空穴的移動是靠吸引附近的束縛電子產生的，想象一下，如果只有P區，N區是個本征半導體，那么P區吸引附近的束縛電子，從宏觀上來看，空穴吸引N區的束縛電子會多於P區（濃度產生的概率），吸引束縛電子后，雜質原子變成不可移動的負離子，而失去束縛電子的硅原子會產生一個空穴，這個空穴會繼續吸引附近的束縛電子，從宏觀上看，P區的空穴會擴散到N區，最終達到一個動態平衡（此處動態平衡是指，雖然空穴的運動仍然繼續，但從整體上看，空穴的濃度已經平均分布到整個P區和N區，從整體上看空穴濃度已經動態平衡了），這個過程中，空穴的數目沒有變少。
- 自由電子的擴散類似，假設P區是本征半導體，N區的電子因為濃度原因會朝各個方向擴散，從宏觀上看，最終自由電子會擴散到P區，從而使硅原子帶負電，而失去自由電子的磷原子會帶正電，最終自由電子的運動達到動態平衡，整個過程中，自由電子的數量並沒有變化。
- 前面分別討論了P區和N區向本征半導體擴散的情況，PN結的擴散運動最大的特點是，當P區硼原子中的空穴和N區磷原子的一個自由電子（此處是自由電子而不是束縛電子）復合，就會產生一個帶負電的硼負離子，以及一個帶正電的磷正離子。這些帶電離子不能移動，但是都是最外層是4個電子的穩定結構。雖然P區也會吸引束縛電子產生負離子，N區的自由電子也有一部分不復合，而是擴散到P區硅原子的外層，但從宏觀上看，復合運動是主流。這導致了PN結中出現了帶電離子，同時空穴和自由電子數目的減少。
3. 漂移運動
- 由於擴散運動使P區與N區的交界面缺少多數載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區向P區、自由電子從P區向N區運動，P區的電子和N區的空穴都是少子，形成的電流很小。
- 擴散和漂移運動最終達到的還是一個動態平衡的結果，動態平衡可以理解為，無論初始狀態是怎樣，最終都會得到一個相同的結果，所以我們可以先看擴散運動，然后再加入漂移運動進去，這樣便於分析。如上圖所示，假設P區和N區雜質原子都是16個，如果沒有漂移運動，擴散運動導致的結果就是，這16個雜質原子全部復合，最后所有雜質原子都是最外層4個電子的穩定結構，所有的空穴和自由電子全部消失，PN結整體變成了耗盡層。PN結內電場的電場力達到最大。在電場力的作用下，空穴從N區向P區、自由電子從P區向N區運動，從而使耗盡層變窄，電場力削弱，最后達到一個動態平衡，耗盡層的寬度保持不變。擴散電流=漂移電流。
- 如上圖所示，假設上圖中已經達到了動態平衡，這個動態平衡意味着：每當P區的灰色的負離子因為失去電子變成綠色，如果這個電子是受到電場力的左右，漂移到N區導致一個紅色的正離子變綠色，那么就存在N區一個綠色的P原子因為自由電子擴散運動到P區從而產生一個紅色的正離子，該自由電子擴散到P區后，會導致一個綠色的硼原子變成灰色的負離子，從而達到一種平衡。
擴散運動和漂移運動的細節涉及到半導體物理學、化學勢、費米能級、量子力學的概念，在模擬電子中只需了解結果即可。
PN結的單向導電性
- PN結加正向電壓時，耗盡層變窄，擴散運動加劇，由於外電源的作用，形成擴散電流，PN結處於導通狀態。外電源可以源源不斷的向P區提供空穴。
- PN結加反向電壓時，反向耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利於漂移運動，形成漂移電流。由於電流很小，故可近似認為其截止。