产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N结为例说明。

    制作P-N结的材料，可以是同一种半导体（同质结），也可以是由两种不同的半导体材料或金属与半导体的结合（异质结）。“结合”指一个单晶体内部根据杂质的种类和含量的不同而形成的接触区域，严格来说是指其中的过渡区。

    结有多种：P-N结、P-I结、N-I结、P⁺-P结、N⁺-N结等。I型指本征型，P⁺、N⁺分别指相对于p、n型半导体受主、施主浓度更大些。

热平衡态下的P-N结

P-N结的形成：

    同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量ΔE很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子N_A^-和施主离子N_D⁺。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子N_D⁺形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子N_A^-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。

热平衡下P-N结模型及能带图

P-N结能带与接触电势差：

    在热平衡条件下，结区有统一的E_F；在远离结区的部位，E_C、E_F、E_ν之间的关系与结形成前状态相同。

    从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，E_FN与E_FP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，E_FN将连同整个N区能带一起下移，E_FP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为E_FN=E_FP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差：

qU_D=E_FN-E_FP

得

U_D=(E_FN-E_FP)/q

q：电子电量

U_D：接触电势差或内建电势

对于在耗尽区以外的状态：

U_D=(KT/q)ln(N_AN_D/n_i²)

N_A、N_D、n_i：受主、施主、本征载流子浓度。

可见U_D与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，U_D越大。禁带宽的材料，n_i较小，故U_D也大。

光照下的P-N结

P-N结光电效应：

光照下光电流的产生动态图

    当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。

    实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τ_p的时间内扩散距离为L_p，P区中电子在寿命τ_n的时间内扩散距离为L_n。L_n+L_p=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。

光照下的P-N结电流方程：

    与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）I_p，其方向与P-N结反向饱和电流I₀相同，一般I_p≥I₀。此时

I=I₀e^qU/KT - (I₀+I_p)

令I_p=SE，则

I=I₀e^qU/KT - (I₀+SE)

开路电压U_oc：

    光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：

0=I₀e^qU/KT - (I₀+SE)

U_oc=(KT/q)ln(SE+I₀)/I₀≈(KT/q)ln(SE/I₀)

短路电流I_sc：

    光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流I_sc。即上述电流方程中U=0时的I值，得I_sc=SE。

    U_oc与I_sc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，U_oc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差U_D。弱光照下，I_sc与E有线性关系。

不同状态下P-N结的能带图

a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qU_D=E_FN-E_FP。

b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压U_oc不再有统一费米能级，势垒高度为q(U_D-U_oc)。

c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qU_D，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。

d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压U_f，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(U_D-U_f)。