pn结是由p型半导体和n型半导体构成的。在pn结中,n型半导体的杂质浓度比p型半导体多,从而形成一个p型区和一个n型区。p型区中大量存在正空穴,n型区中大量存在自由电子。当两种半导体连接在一起时,自由电子会向p型区移动,正空穴会向n型区移动,这将导致p型区的电荷密度增加、n型区的电荷密度减少,最终形成一个电场。该电场会抵消杂质离子的电场,形成一个几乎没有自由电荷的区域,即空间电荷区,这就是pn结的基本结构。
当在pn结的p型区注入正电荷,或在n型区注入负电荷时,这些电荷将与杂质中的离子形成互相吸引的电场。如果该电场足够大,那么它将能够克服空间电荷区的电场,将自由电荷推向空间电荷区。在p型区中,空穴会像电荷一样移动,而在n型区中,自由电子会像电荷一样移动。由于空穴和自由电子移动方向相反,它们最终会在空间电荷区相遇并结合成一个中性原子。在这个结合的过程中,粒子会释放出能量并产生光子。这种现象被称为“注入复合”,正向电流也因此从p型区流到n型区,这就是pn结正向导通的原理。
当pn结处于反向偏置状态时,p型区带正电荷,n型区带负电荷。偏置电压的极性与pn结本身的电场相反时,它将增强空间电荷区的电场。这将导致电子和空穴移向空间电荷区,从而扩大空间电荷区的宽度。当扩大的空间电荷区到达极限时,它将使整个pn结处于完全的电绝缘状态,电流变为零,即闭合了。当偏压撤除时,极性与pn结的电场相同,这将导致空间电荷区的压缩并最终消失。正电荷和负电荷将重新组合,复合过程中产生的电子和空穴会向p型区和n型区移动,形成一个反向电流。
正向电流和反向电流的不同性质源于空间电荷区的存在和它对于外部电场的响应。在正向偏置状态下,pn结的空间电荷区被压缩到最小,电流流经结区。而在反向偏置状态下,空间电荷区被扩大到最大,形成完全的电绝缘状态,电流变为零。因此,pn结具有正向导通和反向关闭的特性。