很多人都知道二极管是可以单向导电的，也就是只有正向的电流可以通过二极管，而反向的电流不行。然而，反向的电流真的通不过二极管吗？二极管里面到底藏了什么机关，会让二极管具有这样神奇的性质呢？
 
人们最早用的二极管叫做“真空二极管”，也叫做“电子二极管”，就是大家耳熟能详的电子管，它是靠被灯丝加热的阴极发射电子导电的。阳极电位高于阴极时，阴极发射的电子在电场的作用下，向阳极运动形成电子流；而阴极电压比阳极高时，电子所受到的电场力是将电子拉回阴极的，不能产生电流。
 
我们现在常见的二极管，叫做“半导体二极管”。要了解半导体二极管，得先从硅说起。
 
我们只要学过初中化学就能知道，硅（Si）是四价的元素。在硅形成晶体的时候，每个硅原子都与四个其它的硅原子以共价键相结合，也就是钻石里面的碳原子的排列方式。
 
每根共价键都是由两个硅原子共用一对电子而形成，电子就这样被束缚住，不容易乱跑，换句话说，就是不容易挣脱束缚变成自由电子。从这个角度来说，硅应该是绝缘体。（下图只是为了描述方便，实际上硅晶体中各个原子并非这样的平面结构，而是呈正四面体的结构，每两根共价键之间的角度大约是109°28'。）
 
但是，硅晶体里面的这些电子却不被束缚得像结缘体那么紧。当硅受热或者受到光照，吸收了能量时，共价键里的电子就有可能获得足够能量，挣脱束缚，形成自由电子，这样在它原来的位置，就会形成一个空穴，这个过程称为“本征激发”。
 
失去了一个电子后，在微观上这个原子就带上正电了。在外加电场的作用下，邻近的电子会过来填补空穴，另一个原子就出现了空穴。这样自由电子和空穴都产生了自由移动，形成电子流和空穴流。这样我们不妨把空穴也看成一种带正电的“子”。
 
金属之所以导电，是因为金属晶体里含有大量的自由电子，可以作为电流的载体，因而被称为载流子。在单晶硅里面，载流子有两种：自由电子和空穴。带负电的自由电子和带正电的空穴的运动，可使得硅具有一定的导电性。因此，硅这种又有导体性质、又有结缘体性质的材料，就被称为半导体。随着温度的升高，半导体中的载流子浓度呈指数增长，导电能力相应提升。
 
自由电子有时候也会遇到空穴，这样自由电子就又被束缚住了。这种现象叫“复合”。
 
需要注意的是，虽然空穴的移动本质上也是电子的运动，但空穴和自由电子是不一样的。前者是由在临近的原子间依次传递而产生，也就是电子只是去到邻居家，并没有获得自由。而后者是自由的电子，就像直接离家出走、远走高飞了一样。
 
即便有这两种载流子，纯硅的导电性还是很低，因为载流子数目实在是太少了。如果能增加载流子的浓度，那么硅的导电性就会大大提高。用什么办法呢？掺杂！
 
如果在硅中掺入少量五价的磷（P）,那么磷依旧会和周围的四个硅原子形成四个共价键。然而，磷的最外层有5个电子，形成共价键只需要4个电子，那么剩下一个没被束缚的电子呢？这就形成了自由电子。这样，掺了磷之后的硅的自由电子数量大大增加。自由电子数目一多，空穴的数目就减少了很多，因为空穴与自由电子复合的概率大大增加。
 
在27℃时，每立方厘米纯硅约有自由电子或空穴150亿个。当掺入一定的磷之后，自由电子的数目就可增加几十万倍，而空穴的数目会减少到每立方厘米23万个以下。这时候，自由电子是多数载流子，简称多子，空穴是少数载流子，简称少子，掺入的杂质称为施主杂质。这种半导体就叫电子半导体，也就是N型半导体。
 
如果纯硅里面掺入三价的硼（B），那情况就完全反过来了。硼也会和周围的四个硅原子结合，但是硼原子最外层只有3个电子，这样就缺了一个电子，形成了一个空穴。这样，掺硼的硅里空穴就成了多子，而自由电子就成了少子。这种半导体就叫空穴半导体，也就是P型半导体。
 
P和N分别是positive和negative的缩写，在这里是“正”和“负”的意思，并不是说空穴很“积极”，而电子很“消极”。刚刚所说的磷和硼元素只是举例，其它的满足条件的五价或三价元素也是可以的。
 
基础的东西说了那么多，我们就要进入核心内容了。那么当P型半导体和N型半导体相遇时，会发生什么神奇的事呢？
 
通常会在一块N型半导体的局部在掺入浓度较大的三价杂质，使得这局部边转变成P型半导体（反之亦可）。在P型半导体和N型半导体的交界处，就会形成一个特殊的薄层，这就是对于电子技术至关重要又最为基本的——PN结。
 
在这种情况下，P型半导体和N型半导体的多数载流子都会趋向于向对方扩散。但是，我们要首先知道一个前提：在未扩散前，P型半导体和N型半导体宏观上对外都是不显电性的。P区的多子（空穴）会向N区扩散并与自由电子复合，N区的多子（自由电子）也会向P区扩散并与空穴复合，这样就形成了空间电荷区，又称耗尽层，这种运动称为扩散运动；同时，N区的少子（电子）和P区的少子（空穴）也会向另一侧运动，这种运动称为漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡，P区这边就带上了负电，N区带上了正电，这样P区和N区交界处就形成了一个电场，这个电场就像一个屏障，阻止两边的多数载流子继续扩散下去。电场两端的电位差称为接触电位差，硅半导体的接触电位差为0.7V，锗半导体为0.3V。这就是PN结的原理。
 
这个时候，如果外加一个由P区向N区的电场，也就是P区接正极、N区接负极（称为外加正向电压或正向偏置），那么那么P区和N区交界处的电场就会被削弱。当外加电压大于接触电位差时，扩散运动远远强于漂移运动，两边的多数载流子都能通过PN结，这个时候，PN结处于导通状态。当外加电压小于接触电位差，那么二极管就不会导通。使二极管导通的最低电压称为死区电压。
 
但如果是外加一个由N区向P区的电场（称为反向偏置），那么交界处的电场反而会增强，这样更加抑制了两边多数载流子的扩散运动，此时漂移运动起主导作用，两边的少数载流子可以穿过PN结，形成微小的反向电流。但是我们刚刚已经知道，少数载流子的数量实在太少，因此这个反向电流也极小，小到我们可以认为没有导通。这时候PN结就处于截止状态。
 
把这个含有PN结的东西加上引线和壳，就成了二极管。
 
虽然我们说二极管可以单向导电，但并不是说二极管反向不能导电，只是反向电流极小。当反向电压大到一定程度时，反向电流会突然增大，这种现象称为“反向击穿”。反向电流与电压无关，故在较大的电流变化范围内能维持电压的恒定，起到稳定电压的作用，这就是稳压二极管的工作原理。如果反向电流不是很大，那么反向击穿的过程是可逆的；如果电流过大（无论正向还是反向），都会使二极管发生热击穿而损坏。
 
刚刚所介绍的都是硅管的工作原理。锗同是四价元素，性质与硅相似，利用锗（Ge）同样可以形成PN结，制作锗管。硅管和锗管在各方面参数各有优劣，使用时需要根据实际情况选用。
 
在自由电子与空穴复合的时候，会释放出能量。采用特殊材料制作PN结，就能使释放出的能量以光能形式输出，这就是发光二极管（LED）的原理。使用不同的材料，就能使LED发出不同颜色的光。
 
PN结不止存在于二极管中，在三极管中也存在。三极管的工作原理比二极管更为复杂，现在就暂不具体介绍了。简而言之，三极管就是两个“背靠背”的PN结，故三极管根据极性可以分为NPN型和PNP型两类。
 
随着半导体技术的进步，半导体元件尺寸越来越小，因此人们就想到了将成千上万个PN结集中到一起，以缩小设备的尺寸，这就是我们熟知的集成电路。集成电路中的主要元件除了PN结之外，就是电阻；通常电容和电感难以集成。手机、电脑……这些电子产品的电路，就包含了千千万万个PN结。当你阅读这篇文章时，你的手机里数不清的PN结就变换了数不清次数的工作状态。