PN结是半导体器件中最基本且最重要的结构之一，其形成原理和特性对于理解现代电子学和光电子学中的各种设备至关重要。PN结是由一块P型半导体（掺杂有正电荷空穴）和一块N型半导体（掺杂有负电荷电子）直接接触形成的。在没有外部电压的情况下，PN结的形成过程可以分为以下几个步骤：
1. 掺杂过程
首先，通过向纯净的半导体材料中掺入特定的杂质原子来形成P型和N型半导体。P型半导体通常是通过向硅或锗等材料中掺入三价元素（如硼），而N型半导体则是通过掺入五价元素（如磷）。这一步骤改变了半导体内部的载流子类型，即P型半导体主要依靠空穴导电，而N型半导体主要依靠自由电子导电。
2. 接触与扩散
当P型半导体和N型半导体紧密接触时，由于两种材料之间的浓度梯度，电子会从N区向P区扩散，同时空穴从P区向N区扩散。这种扩散导致了在接触界面附近形成了一个区域，其中P区失去了空穴变得带负电，N区失去了电子变得带正电。这个区域被称为“耗尽层”，因为它几乎不含自由载流子。
3. 内建电场
随着载流子的移动，耗尽层内形成了一个由N指向P的内建电场。这个电场阻止了更多的载流子继续跨过界面移动，从而达到动态平衡状态。此时，虽然没有净电流流动，但PN结已经形成，并具有了整流特性，即在一定方向的电压下允许电流通过，在相反方向则阻止电流通过。
4. PN结的特性
PN结的形成使得它具备了单向导电性，这是二极管工作的基础。此外，当PN结受到光照时，还可以产生光电效应，这是太阳能电池工作原理的核心。PN结还广泛应用于晶体管、发光二极管（LED）、激光器等多种半导体器件中，对现代电子技术的发展起到了至关重要的作用。
