在半导体物理和器件领域中，pn结是非常重要的基本结构，它是由p型半导体和n型半导体通过接触形成的，是许多半导体器件如二极管、晶体管等的核心组成部分。Lecture XVI讨论的就是关于pn结的相关物理原理和特性。
pn结的基本结构图7.1（a）描述了p型半导体和n型半导体的界面区域，即空间电荷区或耗尽区。在理想均匀掺杂的条件下，pn结会形成一个内建电势差Vbi，这一电势差由材料的特性（例如温度、掺杂浓度）决定，其公式为Vbi=kT/q*ln(Na*Nd/(ni^2))，其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电荷，Na和Nd分别是p型和n型半导体的掺杂浓度，ni是本征载流子浓度。
在零偏（无外加电压）的情况下，pn结中会形成一个内建电场，这是由于电子和空穴的扩散作用导致的。由于空间电荷区两侧载流子浓度的差异，会形成从n区指向p区的电场，这个电场阻止了更多的电子和空穴继续扩散过界面。
热平衡状态下，pn结的能带图（图7.3）显示了在没有外加电压时，费米能级在整个结构中保持一致，但价带和导带在空间电荷区内弯曲。零偏时，电场强度的最大值出现在接触界面附近，并随距离增加而减小。
在突变结近似下，掺杂浓度在n区和p区是均匀的，空间电荷区的电场和电势会随距离变化。空间电荷区宽度可以通过公式Wx=√(2εs/(q*Nd)*((Vbi+VR) + (Na*Nd/(Na+Nd)))来估算，其中εs是半导体的介电常数，VR是外加反向偏压。
在反偏的情况下（图7.4），外加电压Vtotal=Vbi+VR，其中Vbi是内建电势差，VR是外加电压。空间电荷区宽度W随着反向电压VR的增加而增大。当施加正向偏压时，空间电荷区变窄，电场降低，使得电子和空穴更容易越过耗尽区，导致电流增加。反之，施加反向偏压时，空间电荷区变宽，电场增加，阻挡了电子和空穴的穿过，导致电流减小。
从这些基本概念出发，可以看出pn结的物理特性非常关键，它影响着半导体器件的功能和性能。理解这些概念对于设计、分析和优化半导体器件至关重要。此外，虽然Lecture XVI主要聚焦于理想情况下pn结的行为，实际的半导体器件会受到非理想效应的影响，如载流子复合、表面效应、温度变化等，这些都会对器件的电气特性产生影响。
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