小注入

在N型半導體中，當注入半導體材料的非平衡電子（通過光照注入、電注入等方法引入的兩種載流子——電子、空穴總是成對出現）的濃度小於平衡時導帶中電子的濃度時，我們稱這種方法為小注入。對於P型半導體，則需要比較非平衡空穴與平衡時的空穴的濃度。在小注入的情況下，多數載流子的複合率為線性。

一塊半導體晶體一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，中間二者相連的接觸面稱為 PN結（英語： pn junction）。PN結是電子技術中許多元件，例如半導體二極體、雙極性晶體管的物質基礎。

採用一些特殊的工藝（見本條目後面的段落），可以將上述的P型半導體和N型半導體緊密地結合在一起。在二者的接觸面的位置形成一個PN結。

P型、N型半導體由於分別含有較高濃度的“空穴”和自由電子，存在濃度梯度，所以二者之間將產生擴散運動。即：

• 自由電子由N型半導體向P型半導體的方向擴散

• 空穴由P型半導體向N型半導體的方向擴散

載流子經過擴散的過程后，擴散的自由電子和空穴相互結合，使得原有的N型半導體的自由電子濃度減少，同時原有P型半導體的空穴濃度也減少。在兩種半導體中間位置形成一個由N型半導體指向P型半導體的電場，成為“內電場”。

PN結在沒有外加電壓情況下，跨結形成了電勢差導致了平衡狀態。該電勢差稱為內在電勢（built-in potential） 。

PN結的n區的電子向p區擴散，留下了正電荷在n區。類似地，p型空穴從p區向n區擴散，留下了負電荷在p區。進入了p區的電子與空穴複合，進入了n區的空穴與電子複合。經效果是擴散到對方的多數載流子（自由電子與空穴）都耗盡了，結區只剩下不可移動的帶電離子，失去了電中性變為帶電，形成了耗盡層（space charge region）。

耗盡區的電場與電子與空穴的擴散過程相反，阻礙進一步擴散。耗盡層的多數載流子已經全部耗盡，留下的電荷密度等於凈摻雜水平。當平衡達到時，電荷密度近似顯示為階梯函數，耗盡層與中立區的邊界相當陡峭。耗盡層在PN結兩側有相同量的電荷，因此它向較少摻雜的一側延展更遠

若施加在P區的電壓高於N區的電壓，稱為正向偏置（forward bias）。

在正向偏置電壓的外電場作用下，N區的電子與P區的空穴被推向PN結。這降低了耗盡區的耗盡寬度。這降低了PN結的電勢差（即內在電場）。隨著正向電壓的增加，耗盡區最終變得足夠薄以至於內電場不足以反作用抑制多數載流子跨PN結的擴散運動，因而降低了PN結的電阻。跨過PN結注入p區的電子將擴散到附近的電中性區。所以PN結附近的電中性區的少數載流子的擴散量確定了二極體的正向電流。

僅有多數載流子能夠在半導體材料中移動宏觀距離。因而，注入p區的電子不能繼續移動更遠，而是很快與空穴複合。少數載流子在注入中性區后移動的平均距離稱為 擴散長度（diffusion length），典型是微米量級。

雖然跨過p-n結的電子在p-區只能穿透短距離，但正向電流不被打斷，因為空穴（p-區的多數載流子）在外電場驅動下在向相反方向移動。從p-區跨越PN結注入n-區的空穴也具有類似性質。

若施加在N區的電壓高於P區的電壓，這種狀態稱為PN結 反向偏置（reverse bias）。由於p區連接電源負極，多數載流子空穴被外電場拉向負極，因而耗盡層變厚。n區也發生類似變化。並且隨反向偏置電壓的增加，耗盡層的厚度增加。從而，多數載流子擴散過PN結的勢壘增大，PN結的電阻變大，宏觀看二極體成為絕緣體。

反向偏置時形成極其微弱的漂移電流，電流由N區流向P區，並且這個電流不隨反向電壓的增大而變化，稱為“反向飽和電流”（reverse saturation current）。這是因為反向電流是由少數載流子跨PN結形成的，因此其“飽和”值取決於少數載流子的摻雜密度。由於反向飽和電流很小，PN結處於截止狀態，所以外加反向電壓時，PN結相當於 斷路。

當加在PN結上的反向電壓超過一定數值時，PN結的電阻突然減小，反向電流急劇增大，這種現象稱為 擊穿。電擊穿擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿且都是可逆的。發生熱擊穿后，PN結不再具有單嚮導電性，導致二極體發生不可恢復的損壞。利用齊納擊穿製作的穩壓二極體，稱為齊納二極體。