pn接合（pnせつごう、pn junction）とは、半導体中でP型半導体の領域とN型半導体の領域が接している部分を言う。整流性、エレクトロルミネセンス、光起電力効果などの現象を示すほか、接合部には電子や正孔の不足する空乏層が発生する。これらの性質がダイオードやトランジスタを始めとする各種の半導体素子で様々な形で応用されている。またショットキー接合の示す整流性も、pn接合と原理的に良く似る。
熱平衡状態（ゼロバイアス）熱平衡状態のpn接合とバンド構造の模式図

p型とn型の半導体を接合した瞬間では、n型側の多数キャリアである伝導電子とp型側の多数キャリアである正孔がそれぞれ拡散することで拡散電流が生じる。

電子と正孔が再結合により消滅すると、接合部付近にキャリアの少ない領域（空乏層）が形成される。接合の両側で電子と正孔の密度は異なるため、拡散電流が流れる。

空乏層のn型側では、本来存在する伝導電子が不足する一方で正電荷をもつドナーイオンが固定されているため、正に帯電する。一方で空乏層のp型側では、本来存在する正孔が不足する一方で負電荷をもつアクセプターイオンが固定されているため、負に帯電する。その結果、空乏層は正に帯電した層と負に帯電した層が重なり合った電気二重層を形成し、内蔵電場が生まれる。内蔵電場によって発生する静電ポテンシャルの差 V b i {\displaystyle V_{bi}} を拡散電位または内蔵電位(built-in potential)と言う。内部電場は電子と正孔をそれぞれn型、p型領域へ引き戻そうとする。内蔵電場の発生によってドリフト電流も発生する。

熱平衡状態では正味の電流はゼロであり、拡散電流とドリフト電流は釣り合っている。よってpn接合全体のフェルミ準位（化学ポテンシャル）は一定となる。
拡散電位

非縮退のp型半導体とn型半導体を階段型に接合した理想的な場合を考える。p型半導体中のアクセプター濃度を N p , A {\displaystyle N_{p,A}} 、ドナー濃度を N p , D {\displaystyle N_{p,D}} とすると、 N p , D < N p , A {\displaystyle N_{p,D}<N_{p,A}} である。同様にn型半導体では N n , A < N n , D {\displaystyle N_{n,A}<N_{n,D}} である。全ての不純物がイオン化していると仮定すると、p型半導体の正孔濃度 p p {\displaystyle p_{p}} とn型半導体の電子濃度 n n {\displaystyle n_{n}} は、 p p = N A ′ = N p , A − N p , D {\displaystyle p_{p}=N'_{A}=N_{p,A}-N_{p,D}} n n = N D ′ = N n , D − N n , A {\displaystyle n_{n}=N'_{D}=N_{n,D}-N_{n,A}}

となる。この2つを接合したときの拡散電位はp型とn型それぞれの仕事関数の差であり、次のように与えられる[1]。 V b i = 1 q [ E g − ( E C − E F ) n − t y p e − ( E F − E V ) p − t y p e ] = 1 q [ k T ln ⁡ ( N V N C n i 2 ) − k T ln ⁡ ( N C N D ′ ) − k T ln ⁡ ( N V N A ′ ) ] = k T q ln ⁡ ( N D ′ N A ′ n i 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}V_{bi}&={\frac {1}{q}}\left[E_{g}-(E_{C}-E_{F})_{n-type}-(E_{F}-E_{V})_{p-type}\right]\\&={\frac {1}{q}}\left[kT\ln \left({\frac {N_{V}N_{C}}{n_{i}^{2}}}\right)-kT\ln \left({\frac {N_{C}}{N'_{D}}}\right)-kT\ln \left({\frac {N_{V}}{N'_{A}}}\right)\right]\\&={\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {N'_{D}N'_{A}}{n_{i}^{2}}}\right)\\\end{aligned}}}

ここで E g {\displaystyle E_{g}} はバンドギャップ、 E C {\displaystyle E_{C}} は伝導帯の下端のエネルギー、 E V {\displaystyle E_{V}} は価電子帯の上端のエネルギー、 N C {\displaystyle N_{C}} と N V {\displaystyle N_{V}} は有効状態密度、 n i {\displaystyle n_{i}} は真性キャリア密度である。

例えばシリコン（バンドギャップ1.17eV）のpn接合の場合、内蔵電位は0.6?0.7V程度となる。
空乏層の幅

p型側の空乏層の幅を x p {\displaystyle x_{p}} 、n型側の空乏層の幅を x n {\displaystyle x_{n}} とする。また空乏層では価電子帯の電子と伝導帯の正孔は存在しないと仮定する。つまり電荷密度 Q ( x ) {\displaystyle Q(x)} は、p型側ではアクセプターイオンの負電荷、n型側ではドナーイオンの正電荷によるものだけとする。空乏層の外側は電気的に中性である。 Q ( x ) = 0 ( x < − x p ) {\displaystyle Q(x)=0\quad \quad (x<-x_{p})} Q ( x ) = − q N A ′ ( − x p ≤ x ≤ 0 ) {\displaystyle Q(x)=-qN'_{A}\quad (-x_{p}\leq x\leq 0)} Q ( x ) = q N D ′ ( 0 < x ≤ x n ) {\displaystyle Q(x)=qN'_{D}\quad (0<x\leq x_{n})} Q ( x ) = 0 ( x n < x ) {\displaystyle Q(x)=0\quad \quad (x_{n}<x)}