在二極管正極加正電壓，負極加負電壓。稱二極管外加正向電壓，這時二極管有電流流過處于導通狀態。在二極管正極加負電壓，負極加正電壓，稱二極管外加反向電壓，這時二極管無電流流過處于截止狀態。這種特性就是二極管的單向導電性。

　　二極管為什么只能單向導電？

　　二極管的核心是PN結。因此二極管的單向導電性是由PN結的特性說決定的。在P型和N型半導體的交界面附近，由于N區的自由電子濃度大，于是帶負電荷的自由電子會由N區向電子濃度低的P區擴散，擴散的結果使PN結中靠P區一側帶負電，靠N區一側帶正電，形成由N區指向P區的電場。即PN結內電場。內電場將阻礙多數載流子的繼續擴散，又稱為阻檔層。

　　（1）PN結加上正向電壓的情況 將PN結的P區接電源正極，N區接電源負極，此時外加電壓對PN結產生的電場與PN結內電場方向相反，消弱了PN結內電場，使得多數載流子能順利通過PN結形成正向電流，并隨著外加電壓的升高而迅速增大，即PN結加正向電壓時處于導通狀態。

　　（2）PN結 加上反向電壓的情況 將PN結的P區接電源負極，N區接電源正極，此時外加電壓對PN結產生的電場與PN結內電場方向相同，加強了PN結內電場，多數載流子在電場力的作用下難以通過PN結反向電流非常微小，即PN結加反向電壓時處于截止狀態。

　　半導體的導電特性

　　半導體以其導電性能介乎于導體和絕緣體之間而得名。如硅、鍺、硒以及大多數金屬氧化物和硫化物都是半導體。

　　金屬導體依靠自由電子導電。絕緣體原子最外層的電子被原子核束縛得很緊，所以絕緣體中自由電子極少，不易導電。而半導體原子最外層的電子處于半自由狀態。以常用的半導體材料硅原子結構為例，它有四個價電子，完全純凈的硅晶體結構中，每一個原子與相鄰的四個原子結合，每一個原子的一個價電子與另一個原子的一個價電子組成一個電子對，構成共價鍵結構，如右圖所示。半導體一般都具有晶體結構，故半導體又稱為單晶體。

　　共價鍵中的價電子不像絕緣體原子外層的電子被束縛得那么緊，在受到熱的作用或受到光照射時，熱能和光能轉化為電子的動能，原子最外層的價電子便很容易掙脫原子核的束縛，形成自由電子，此時在原子共價鍵結構中，相應出現了一個電子空位，稱為空穴，由于電子帶負電荷而原子又是中性的，因此空穴可認為是帶正電荷。具有空穴的原子又可吸引鄰近原子中的價電子來填補其空穴，從而形成電子運動。這時空穴也從某一個原子內移動到了另一個原子內，形成空穴運動。這樣在一定條件下，半導體中出現了兩種帶電運動，一種是帶負電荷的自由電子運動；另一種便是帶正電荷的空穴運動。在外電場的作用下，電子向電源正極定向運動，空穴向電源負極定向運動，于是電路中便形成電流。

　　半導體導電的特點，就是同時存在電子導電和空穴導電，所以自由電子和空穴都稱為載流子。純凈半導體中載流子總是成對出現，并不斷復合，在一定條件下達到動態平衡，使半導體中載流子的數量維持恒定。當條件改變后，如溫度升高或光照加強，載流子數量又會增多，使半導體的導電性能增強，故溫度對半導體導電性能影響很大。

　　純凈半導體一般導電能力是較差的，而在其中加入某種雜質后，導電能力即可大大增強，其原因同樣與其共價鍵結構有關。

　　N型和P型半導體

　　在純凈的半導體中，摻入極微量有用的雜質，雜質不同，其增加的導電載流子的類型也不同，可分為兩大類，如在硅單晶體中摻入五價元素磷，磷原子外層有五個價電子，其中四個價電子與硅原子中的四個價電子形成共價鍵后，多出的一個電子便很容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，這樣摻磷后的半導體中自由電子的數量大大增加，因而加強了原純凈半導體的導電能力。摻入五價元素的半導體，自由電子是導電的主要載流子，稱多數載流子，而原半導體中的空穴則稱少數載流子，這種半導體由于電子帶負電，故稱電子型半導體或N型半導體，如下圖a所示。

　　若在硅單晶體中摻入三價元素硼，硼原子外層只有三個價電子，與硅原子中的價電子形成共價鍵時，將出現一個空穴，與N型半導體相比，這類半導體主要是空穴導電，即空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子，由于空穴被認為帶正電，故稱空穴型半導體或P型半導體，如上圖b所示。

　　在N型半導體中，摻入五價元素越多，自由電子數量越多，導電性能越好。同理在P型半導體中，摻入三價元素越多，空穴數量越多，導電性能也越好。在制造時，可用摻雜的多少來控制多數載流子的濃度。而在使用中因出現溫度的升高或光照的增多，P型或N型半導體中少數載流子的濃度也會出現急劇增加的現象。

　　N型半導體和P型半導體，雖然都有一種多數載流子，但整個半導體仍是電中性的。

　　PN結的形成

　　將下圖a的P型半導體和N型半導體采用一定的工藝措施緊密地結合在一起，由于N區電子濃度遠大于P區，P區的空穴濃度遠大于N區，因此N區的電子要穿過交界面向P區擴散，P區的空穴也要穿過交界面向N區擴散。擴散的結果，在交界面形成一個薄層區，在這薄層區內，N區的電子已跑到P區，N區留下了帶正電的原子，形成N區帶正電；P區的空穴已被電子填充，P區留下了帶負電的原子，形成P區帶負電。這薄層稱為空間電荷區，如下圖b所示。

　　這薄層的兩邊類似已充電的電容器，形成由N→P的內電場。空間電荷區內基本上已沒有載流子，故又稱為耗盡層，或稱PN結，它具有很高的電阻率。顯然這個內電場形成后將阻礙多數載流子的擴散運動；同時，內電場又使P區少數載流子——電子向N運動；使N區少數載流子—— 空穴向P區運動。這種少數載流子在內電場作用下的運動稱為漂移運動。

　　擴散運動和漂移運動是同時存在的一對矛盾，開始形成空間電荷區時，多數載流子的擴散是矛盾的主導，隨著擴散運動的進行，空間電荷區即PN結不斷增寬，內電場增強，此時擴散運動減弱，而漂移運動越來越強，在一定溫度時，最終擴散、漂移運動達到動平衡，PN結處于相對穩定狀態，PN結之間再沒有定向電流。

　　PN結的單向導電原理

　　外加正向電壓：PN結導通（導電）：如下圖a所示，將電源E串聯電阻R后正極接于P區，負極接于N區，這時稱PN結外加正向電壓。在正向電壓作用下，PN結中的外電場和內電場方向相反，擴散運動和漂移運動的平衡被破壞，內電場被削弱，使空間電荷區變窄，多數載流子的擴散運動大大地超過了少數載流子的漂移運動，多數載流子很容易越過PN結，形成較大的正向電流，PN結呈現的電阻很小，因而處于導通狀態。串聯電阻是為了防止電流過大而可能燒毀PN結。

　　外加反向電壓，PN結截止（不導電）：上圖b中，將電源E的正極接于N區，負極接于P區，PN結外加反向電壓，或稱PN結反向接法。此時外電場和內電場方向一致，內電場增強，使空間電荷區加寬，對多數載流子擴散運動的阻礙作用加強，多數載流子幾乎不運動，但是，增強了的內電場有利于少數載流子的漂移運動，由于少數載流子的數量很少，只形成微小的反向電流，PN結呈現的反向電阻很大，因此處于截止狀態。反向電流對溫度非常敏感，溫度每升高8~10℃，少數載流子形成的反向電流將增大1倍。

　　PN結正向連接時，PN結導通，正向電阻很小。PN結反向連接時，PN結截止，反向電阻極大。PN結特有的這種單向導電特性，正是各種半導體器件的基本工作原理。