模拟电子/PN结
此页面快速概括了pn结的概念及其基本行为。有关更详细的分析，请参阅半导体Wikibook和电子材料Wikibook。
固体晶格中的电子必须存在于某些电子态中。由于晶格中原子之间的相互作用，这些状态被分组为能带，并由能隙隔开，其中不存在任何状态。因此，电子不能存在于这些能隙中。
在半导体中，在绝对零度（0K）时，直至并包括价带的所有能带都完全充满了电子。导带 - 价带以上能隙之上的下一个能带（称为能隙） - 完全没有电子。高于导带的所有能带也是如此。
完全充满或完全空的能带中的电子不能对电流做出贡献，因此0K时的半导体是完美的绝缘体。在较高温度下，热能导致一些电子越过能隙并存在于导带中。这些电子以及电子离开导带时留下的空穴现在可以有助于承载电流。随着温度升高，越来越多的电子可以进行这种跃迁，半导体变得更具导电性。
半导体可以添加杂质以引入更多电子或空穴，以制造p型或n型半导体。这些主要通过一种载流子导电
| N型材料 | P型材料 |
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当p型半导体与n型半导体连接时，两者之间的界面称为pn结。
由于n型材料中的电子浓度远高于p型材料，因此电子将倾向于扩散穿过结进入p型材料。同样，空穴也倾向于从p型扩散到n型材料。
由于材料本身没有净电荷，因此这种扩散会形成电荷不平衡。n型材料失去了电子并获得了空穴，现在具有净正电荷，而p型材料失去了空穴并获得了电子，具有净负电荷。这在两种类型的材料之间产生电势差，这将抵消空穴和电子的扩散，并将它们拉回到起始位置。这种在电势差下相反的电荷流动称为漂移。
在平衡状态下，这两种效应将相互抵消，并且不会有净电流流动
- 空穴从p型到n型的扩散等于空穴从n型到p型的漂移
- 电子从n型到p型的扩散等于电子从p型到n型的漂移
结附近的区域将没有载流子存在，因为它们已与其来自另一种材料的对应物复合。该区域称为耗尽区，有时也称为空间电荷区。此处仍然存在带电粒子，但它们是晶格中原子核，无法移动。
在平衡状态下，两种材料之间仍然存在电势，称为内建电压或势垒。电场，由耗尽区中载流子离开后留下的不平衡电荷的存在在耗尽区中建立起来。在耗尽区的n型材料侧，剩余的原子具有净正电荷（它们缺少一个电子），而在p型侧，由于获得了额外的电子，它们具有净负电荷。
因此，电场从n型材料指向p型材料
如图所示，n型材料中剩余的电子必须克服势垒（并克服电场）才能穿过结（从右到左），类似地，空穴也需要克服势垒才能从左到右移动。请记住，n型材料中只有很少的自由空穴，p型材料中只有很少的电子，因此不可能以这种方式流动电流。
为了克服势垒，可以在结上施加外部电势。
在考虑外部电场的作用时，首先要注意的是，耗尽区以外的半导体与耗尽区相比具有很高的导电性。这意味着施加到器件上的任何电位差都将集中在耗尽区，并且不会在未耗尽的半导体中表现为电场。
想象一下，将pn结连接到电压源，使n型材料的电位低于p型。来自外部电位差的电场，，与内部电场相反。这给出了的总电场。
这意味着反对载流子流动的电场也减小了，因此一些载流子将扩散过去。减小的电场将使结再次达到平衡，但耗尽区将更短。这种情况下的能带图如下所示
势垒降低也意味着一些具有热能的电子和空穴可以“跃过”耗尽区，然后它们将被施加的电压从半导体中扫出。如果外部电势大于内部电势，则势垒将反转，电子和空穴几乎可以不受阻碍地流过结 - 一旦超过势垒电压，就可以流动非常大的电流。
现在，考虑将结连接，使n型材料的电位高于p型材料。外部电位引起的电场将增强内部电位，并使其
这将迫使更多的载流子离开结附近的区域，使耗尽区变大。势垒的增加意味着载流子需要更多的能量才能越过耗尽区，而且外部场也在与它们对抗。
这意味着没有由于多数载流子（n型中的电子和p型中的空穴）引起的电流将流过结。
在这种情况下，唯一可能流动的电流是微小的漏电流，它由少数载流子（n型材料中的空穴和p型材料中的电子）组成。由于这些载流子非常稀少，因此该电流非常小（通常只有几纳安）。
如半导体中所示，仔细考虑上述效应会导致以下描述pn结的方程。
[Ebers-Moll方程]
其中
- IS是反向饱和电流（由热活动引起 - 通常对于“正常”电压约为20nA）
- VT是热电压（在室温下约为25mV）
- V是施加的电压
- I是流过结的电流
这被称为pn结的“Ebers-Moll”模型。
完全遵循此模型的二极管具有非常极端的特性 - 超过势垒后，电流变得很大，而在反向偏置时则很小。下图为了清晰起见，夸大了反向电流并减少了正向电流的增长。
当V不非常接近0时，我们可以以相当高的精度将电流近似如下：
对于正向偏置，
对于反向偏置，
通常，V0的值取约0.7V。此时，结开始对流过的电流提供极小的电阻。即使在此值之前电流也流动，但它很小（比图中显示的要小得多）。