我們知道一個完整半導體：其中一部分摻入受主雜質原子形成P區，而相鄰的另一部分摻入施主雜質形成N區，分割成P區與N區的交界面稱為冶金結。
起初在冶金結所處的位置，電子和空穴都有一個很大的濃度梯度，兩邊載流子：N區的“自由電子”和P區的“空穴”分别向對端擴散，随着N區自由電子向P區擴散，帶正電的施主離子被留在了N區，同時随着P區的空穴向N區擴散，帶負電的受主離子留在了P區，進而在冶金結附近感生出了一個内建電場，方向是由N區指向P區。
這兩個帶電區域就是：空間電荷區，又稱為耗盡區。這是以電子“擴散”的理論來解釋PN結的形成，那麼如果用費米能級怎麼來了解PN結呢？
1. 假設PN結兩端沒有外加電壓偏置，那麼PN結處于熱平衡狀态：整個半導體費米能級處處相等（如果費米能級不相等，PN結兩邊必然存在着能量的差異，将導緻電子和空穴向着各自能量更低的方向轉移（原理同熱力學第二定律），直到費米能級平衡，能量差異消失：電子和空穴的分布也即趨于穩定），且是一個恒定值。
由于P區和N區之間導帶和價帶相對位置會随費米能級的變化而變化，是以空間電荷區所在位置的導帶和價帶發生彎曲，如下圖所示。
2. 此時N區導帶内的“自由電子”在試圖進入P區導帶時遇到了一個勢壘：内建電勢差eVbi；該内建電勢差維持了N區多子（自由電子）和P區少子（自由電子）之間以及P區多子（空穴）與N區少子（空穴）之間的平衡。eVbi維持了平衡狀态，是以它在半導體内部不産生電流。
3. 若在P區和N區之間增加一個電壓，那麼PN結就不能再處在熱平衡狀态（熱平衡狀态不再滿足）。
1, PN區外加反向偏壓時：N區的費米能級要低于P區費米能級的位置，兩者費米能級的內插補點剛好等于外加電壓值(VR)*電子電量e；總電勢差eVtotal=VR+Vbi。
增加了的勢壘高度繼續阻止電子與空穴的流動，是以PN結内基本沒有電荷（多子）的流動。
2, PN區外加正向偏壓時：P區費米能級要低于N區費米能級的位置，總勢壘高度下降了：eVtotal=Vbi-VR。
降低了的勢壘高度意味着空間電荷區的電場随之減弱，電場減弱則意味着原先擴散電流與漂移電流平衡被打破，電子和空穴不再分别滞留在N區和P區，于是就有由P區經空間電荷區到N區的“擴散空穴電流”，同理有由N區經空間電荷區到P區的“擴散電子電流”。
4. 熱平衡狀态下PN結導帶能量圖如下圖所示：導帶内N區電子數量遠大于P區，内建電場阻止了N區自由電子向P區流動，即：内建電勢差維持了PN結兩側各區域載流子之間的分布平衡。
5. PN結反偏産生電流：對于反偏PN結，一般認為在空間電荷區内不存在可移動的電子和空穴，但實際上在反偏電壓下，空間電荷區内産生了自由電子-空穴對。
這些自由電子與空穴試圖重建立立熱平衡，而過剩自由電子與空穴的複合過程就是重建立立熱平衡的過程。
這些自由電子和空穴一旦産生，就被電場掃出空間電荷區。由空間荷區自由電子和空穴移動所産生的電流，就是PN結反向電流。
理想反向飽和電流密度與反向偏壓無關，但實際反偏電流卻跟空間電荷區寬度（反向偏壓）有關，是以反偏電流密度不再與反偏電壓無關。
6. PN結正偏電流，PN結總正偏電流密度是：複合電流密度和理想擴散電流密度之和； 如圖為對數坐标上的複合電流和理想擴散電流，兩條曲線的斜率不同；電流密度較低時（小注入）複合電流占主導，而電流密度較高（大注入）時，擴散電流占主導地位（電導調制作用）。
1, PN結正偏複合電流：當PN結外加正偏電壓時，自由電子和空穴穿過空間電荷區注入到相應的區域，空間電荷區沒有過剩載流子，是以自由電子和空穴在穿越空間電荷區時有部分載流子會發生複合，而并不成為少子分布的一部分；
2, 理想擴散電流密度：如下圖顯示為電中性N區内的少子（空穴）的濃度，該少子分布形成了PN結的理想擴散電流密度，且它是外加電壓與少子（空穴）擴散長度的函數；
7. 反向PN結擊穿：對于理想PN結反向偏壓，會在PN結内形成一股很小的反偏電流，但是反偏電壓不能無限制地增加。