在PN結形成之前，在N型材料中有相同數(shù)目的電子和質子，因此形成電中性而不含任何靜電荷。這對于P型材料同樣適用。
    當PN結形成的時候，N型區(qū)會因為自由電子擴散通過結面，造成自由電子的數(shù)目減少。這會在靠近結面的地方形成一層正電荷（五價離子）。當電子移動跨過結面，P型區(qū)會因為電子與空穴的結合而損失一些空穴。這會在靠近結面的地方形成一層負電荷（三價離子）。這兩層的正負電荷就形成耗盡區(qū)( depletion region)，如圖1.18(b)所示。耗盡區(qū)這個名詞是反映在接近PN結的區(qū)域缺乏電荷載流子（電子和空穴）的現(xiàn)象，這是因為通過結面的擴散作用所造成的。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，空乏區(qū)的厚度很薄。
    在大量的自由電子一開始通過結面進行擴散動作時，耗盡區(qū)會一直擴大直到達成平衡為止，然后就不再有電子會擴散經(jīng)過結面。這個現(xiàn)象發(fā)生的過程如下。當電子持續(xù)擴散經(jīng)過結面，越來越多的正電荷和負電荷會在結面附近產(chǎn)生，因而形成耗盡區(qū)。當耗盡區(qū)的所有負電荷能夠排斥電子的進一步擴散時，就像同性電荷彼此排斥的現(xiàn)象，擴散也就停止下來。換句話說，耗盡區(qū)是電子進一步擴散并通過結面的一種障礙。
    任何時候，當正、員電荷彼此靠近時，都會依照庫侖定律產(chǎn)生作用力，作用在電荷上。在耗盡’區(qū)內，PN結的兩邊分別存在著許多的正電荷和負電荷。在相反電荷之間的作用力形成一個“作用力場”，我們稱之為“電場”，如圖1. 18(b)中以正負電荷之間的箭頭表示。這個電場對于N型區(qū)的自由電子形成一種障礙，要移動電子穿過這個電場需要花費能量。也就是外界必須提供能量，讓電子能夠通過耗盡區(qū)的電場障礙。
    電場在耗盡區(qū)所產(chǎn)生的電位差，就是電子通過這個電場所需的電壓。這個電位差又稱為門檻電壓( barrierpotential)，單位是伏[特]。換一種說法，若能在PN結兩端施以等于門檻電壓的電壓，且電壓的極性正確的話，就能讓電子通過結面。在第1.7節(jié)介紹偏壓時，將會再詳細說明此點。
    在PN結處所形成的門檻電壓是由幾項因素決定的，包括半導體材料的種類、摻雜的程度和溫度等。在室溫25℃下，標準硅晶體的門檻電壓大約是0. 7V，而鍺晶體是0.3V。以后在本書除了特別說明之外，都以硅晶體作為例子。
   2.PN結的能階圖和耗盡區(qū)
    N型材料的價帶和導帶的能階稍低于P型材料的價帶和導帶。這是由于五價和三價雜質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型材料的價帶和導帶的能階稍低于N型材料的價帶和導帶，但雙方仍有大部分是重疊著的。
    至于N型區(qū)位在導帶上半部的自由電子，以它們的能量來說，可以很容易地擴散并通過結面（不需要額外的能量），暫時成為P型區(qū)導帶下半部的自由電子。在通過結面之后，電子會很快地失去能量而跌入P型區(qū)價帶的空穴中，如圖1.19(a)所示。

        
    當擴散持續(xù)進行，耗盡區(qū)開始形成，而N型區(qū)導帶的能階也逐漸降低。N型區(qū)導帶能階降低的原因，是由于損失部分含有較高能量的電子經(jīng)過擴散通過結面進入P型區(qū)所造成的。
    不久，在N型區(qū)導帶就沒有電子擁有足夠的能量，J108-D26Z 可以跨越過結面進入P型區(qū)的導帶，就如同圖1. 19(b)中所示，N型區(qū)導帶的上緣已與P型區(qū)導帶的下緣切齊。到此，結面就處于平衡狀態(tài)。因為擴散作用已經(jīng)停止，耗盡區(qū)也形成了。在通過耗盡區(qū)時，能量逐漸升高，就像一座能量被一樣，電子必須越過這個能量障礙才可以到達P型區(qū)。
    值得注意的是，當N型區(qū)導帶的能階往下移動昀時候，價帶的能階也隨著向下移動。此時，價電子仍需要獲得同樣的能量才能成為自由電子。換句話說，在價帶和導帶之間的能隙仍保持相同的間隔。