空乏層是指在 pn 接面或金屬－半導體接面的界面附近形成、幾乎不存在電子與電洞等自由載子的區域。也稱為空乏區、空間電荷區，是二極體、電晶體、太陽能電池等各種半導體元件運作的核心結構。
形成 pn 接面後，n 型側的電子與 p 型側的電洞會越過界面擴散，彼此復合而消失。結果在界面附近留下載子耗盡的空乏層，n 側留下帶正電的施體離子，p 側留下帶負電的受體離子。這些離子形成的電場即為內建電位（電位障壁），阻止載子進一步擴散而達到平衡狀態。
空乏層的寬度會隨外加電壓而改變。施加逆向電壓時空乏層變寬，施加順向電壓時則變窄。這種可變性是變容（可變電容）二極體與 MOS 電容的運作原理；此外，空乏層寬度的擴展也左右逆向耐壓、漏電流、CMOS 影像感測器的靈敏度等元件特性。
在能帶圖上，空乏層呈現為能帶彎曲的區域。空乏層兩端能帶的高低差對應於內建電位 qVbi（矽約為0.6～0.7V），順向／逆向偏壓造成的障壁升降則產生二極體的整流作用。