在PN结形成之前，在N型材料中有相同数目的电子和质子，因此形成电中性而不含任何静电荷。这对于P型材料同样适用。
    当PN结形成的时候，N型区会因为自由电子扩散通过结面，造成自由电子的数目减少。这会在靠近结面的地方形成一层正电荷（五价离子）。当电子移动跨过结面，P型区会因为电子与空穴的结合而损失一些空穴。这会在靠近结面的地方形成一层负电荷（三价离子）。这两层的正负电荷就形成耗尽区( depletion region)，如图1.18(b)所示。耗尽区这个名词是反映在接近PN结的区域缺乏电荷载流子（电子和空穴）的现象，这是因为通过结面的扩散作用所造成的。耗尽区形成的速度很快，而且与P型区和N型区比较起来，空乏区的厚度很薄。
    在大量的自由电子一开始通过结面进行扩散动作时，耗尽区会一直扩大直到达成平衡为止，然后就不再有电子会扩散经过结面。这个现象发生的过程如下。当电子持续扩散经过结面，越来越多的正电荷和负电荷会在结面附近产生，因而形成耗尽区。当耗尽区的所有负电荷能够排斥电子的进一步扩散时，就像同性电荷彼此排斥的现象，扩散也就停止下来。换句话说，耗尽区是电子进一步扩散并通过结面的一种障碍。
    任何时候，当正、员电荷彼此靠近时，都会依照库仑定律产生作用力，作用在电荷上。在耗尽’区内，PN结的两边分别存在着许多的正电荷和负电荷。在相反电荷之间的作用力形成一个“作用力场”，我们称之为“电场”，如图1. 18(b)中以正负电荷之间的箭头表示。这个电场对于N型区的自由电子形成一种障碍，要移动电子穿过这个电场需要花费能量。也就是外界必须提供能量，让电子能够通过耗尽区的电场障碍。
    电场在耗尽区所产生的电位差，就是电子通过这个电场所需的电压。这个电位差又称为门槛电压( barrierpotential)，单位是伏[特]。换一种说法，若能在PN结两端施以等于门槛电压的电压，且电压的极性正确的话，就能让电子通过结面。在第1.7节介绍偏压时，将会再详细说明此点。
    在PN结处所形成的门槛电压是由几项因素决定的，包括半导体材料的种类、掺杂的程度和温度等。在室温25℃下，标准硅晶体的门槛电压大约是0. 7V，而锗晶体是0.3V。以后在本书除了特别说明之外，都以硅晶体作为例子。
   2.PN结的能阶图和耗尽区
    N型材料的价带和导带的能阶稍低于P型材料的价带和导带。这是由于五价和三价杂质原子在特性上的差异所造成。
    图1.19(a)示出PN绪形成瞬间的能阶图。你可以看出，N型材料的价带和导带的能阶稍低于N型材料的价带和导带，但双方仍有大部分是重叠着的。
    至于N型区位在导带上半部的自由电子，以它们的能量来说，可以很容易地扩散并通过结面（不需要额外的能量），暂时成为P型区导带下半部的自由电子。在通过结面之后，电子会很快地失去能量而跌入P型区价带的空穴中，如图1.19(a)所示。

        
    当扩散持续进行，耗尽区开始形成，而N型区导带的能阶也逐渐降低。N型区导带能阶降低的原因，是由于损失部分含有较高能量的电子经过扩散通过结面进入P型区所造成的。
    不久，在N型区导带就没有电子拥有足够的能量，J108-D26Z 可以跨越过结面进入P型区的导带，就如同图1. 19(b)中所示，N型区导带的上缘已与P型区导带的下缘切齐。到此，结面就处于平衡状态。因为扩散作用已经停止，耗尽区也形成了。在通过耗尽区时，能量逐渐升高，就像一座能量被一样，电子必须越过这个能量障碍才可以到达P型区。
    值得注意的是，当N型区导带的能阶往下移动昀时候，价带的能阶也随着向下移动。此时，价电子仍需要获得同样的能量才能成为自由电子。换句话说，在价带和导带之间的能隙仍保持相同的间隔。