电流方向与电子流动方向相同

在探讨PN结工作原理之前，让我们先深入理解半导体的基本概念。我们都知道，半导体是由硅、锗等原子构成的一种材料。以硅为例，其晶体结构呈规则的四面体形态，每个硅原子与周围的四个硅原子通过共价键紧密结合。

当我们谈论半导体的晶格结构时，其三维框架十分值得关注。对于学过中学化学的同学来说，无论是硅还是锗，它们最外层的电子数目都是四个。这些电子在形成晶体结构时，来自不同原子的两个电子会相互约束，保持晶体结构的稳定性。这种没有杂质的半导体被称为本征半导体。

随着温度的上升或光照的增强，电子的热运动会加速。部分电子会挣脱共价键和原子核的束缚，成为自由电子，这个过程被称为本征激发。激发后，原共价键的位置会留下一个空穴，带正电荷的离子产生。我们可以把这个现象称为空穴的产生。值得注意的是，电子的运动并没有停止，产生空穴的离子会有新的电子进入这个空穴，这种现象被称为复合。填充过来的电子的原属原子又会形成新的空穴。从电子的激发和复合过程中，我们可以观察到空穴的位置发生了漂移变化。如果电子激发后朝一个方向移动，由于空穴和自由电子数量相等，我们可以推测空穴漂移的方向与电子方向相反。

在本征半导体中，如果加入了五价元素磷（P）原子，就会形成杂质半导体，被称为N型半导体。磷原子的最外层有4个电子，其中一个电子成为游离电子，这使得N型半导体成为电子型半导体。由于有游离电子的存在，N型半导体的导电能力比本征半导体增强了数十万倍。

相反，如果在本征半导体中加入三价元素硼（B）原子，就会形成另一种杂质半导体，即P型半导体。硼原子的最外层只有3个电子，形成一个共价键的位置产生空穴。P型半导体是空洞型半导体，由于较多的空穴漂移，其导电能力也比本征半导体增强了数十万倍。尽管掺入了杂质形成了N型或P型半导体，但整个半导体晶体仍然呈电中性，因为正负电荷数量相等。

当我们把P型半导体和N型半导体结合时，会产生一系列有趣的现象。N型半导体中的自由电子会迁移到P型半导体中，而P型半导体中的空穴则会向N型半导体中漂移。在中间区域，由于自由电子与空穴的动态平衡，呈现电中性，形成了PN结。P型半导体末端由于电子的富集呈现负极性，而N型半导体末端由于空穴的富集呈现正极性，就像一个电容。

PN结的形成是其核心机制之一。当PN结施加正向电压时，富集电子的P型半导体末端与正极电场相互吸引，形成电流。而当PN结施加反向电压时，电路中的电子流被阻断，PN结呈现截止状态。这体现了PN结的单向导电性。

当反向电压足够强时，PN结可能会被击穿，电路也会呈现导通状态。如果反向电压时间较短，PN结可以恢复；但如果持续施加强反向电压，可能会PN结内部的晶体结构，导致PN结不可恢复。