值得注意的是，宏观上无论是P型半导体还是N型半导体都是电中性的，P型、N型只是表示两者提供可导电能力的载流子的电荷性质。

那么如果P型和N型半导体放在一块会变成什么样呢？我们采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成产生神奇的变化。首先由于P型半导体内的空穴浓度更高、N型半导体内的电子浓度更高，这种浓度差就自然而然为扩散提供了动力。即空穴和电子在边界处互相进入对方的领地，形成P型半导体边界处电子浓度更高，而N型半导体边界处空穴浓度更高，这就形成了边界处的内建电场。

由于内建电场对电子的作用力方向与扩散方向相反，即自由电子被往回拉。有点像是，自由电子拖拽着一个弹簧，冲的越多越远，被拽回来的力量就越大。直到，扩散作用的推力与内建电场的拉力大小相当，达到动态平衡。此时，内建电场区域增至最大值且保持不变，这就形成了耗尽区，这一空间电荷区被称为PN结（PN junction）。如下图：

从PN结的形成原理就可以看出它具有单向导电性，要想让其导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。因此若P区外接电源的正极，N区接负极，就可以抵消其内部自建电场，从而形成正向电流。而反向电压会使内建电场的阻力更大，PN结不能导通，仅有极微弱的反向电流（由少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和，但如果电压足够大会破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来导致PN结被击穿）。PN的单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，正是半导体基础器件二极管、晶体管的物理基础。

事实上二极管就是一个PN结，具有单向导通、反向饱和或击穿。而晶体管可以分为双极型三极管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、MOS场效应晶体管（MOSFET）。三者实际都可以简单视为开关，只不过内部结构的不同导致了运行的原理不同。

BJT实际上是背靠背的两个PN结组成，分为NPN、PNP两种，其结构如下图。我们以NPN为例简述其工作原理，如果不在基极上外加电压，那么这种PN结背靠背的结构形象无论在两侧加什么样的电压都不会有电流导通。但如果在基极加一个正向电压，而在集电极和发射极之间电势差为正的情况下，基极的正向电压就相当于集电结的反偏变为了正偏，自然就会导通。因此通过基极就可以控制电路导通开关。

在同是背靠背PNP的框架下，JFET采用了不同的结构，如下图所示。以N沟道JFET为例，当栅极不加电压栅压为零即零偏时，沟道最宽，导通电流最大。但如果在栅极上加电压使得两侧的PN结都工作在反偏状态，反偏越强，沟道越窄，导通电流越小。因此通过栅极的电压可以控制电路导通开关，源极、漏极犹如水管，栅极则是控制其开关的水龙头。

MOSFET也是通过栅极电压控制电路导通与否，但采用的结构却更巧妙，如下图所示。无论是NMOS（P型衬底的两肩腐蚀出N型的电极）还是PMOS（N型衬底的两肩腐蚀出P型的电极），也都是通过栅极（Gate）控制的。以NMOS为例，如果栅极不加电压显然源极和漏极是不导通的，如果栅极加上正向电压，则在源和漏之间会形成一个薄薄的电子反转层，也称之为N沟道，这时源和漏之间就通过这个N沟道的连接实现了导通。