以下是其工作原理的详细解释。

**1. PN结的形成**

P 型半导体是通过掺入三价元素（例如硼）而形成的，在其中会形成大量带正电的空穴，这些空穴属于多数载流子。

N 型半导体是通过掺入五价元素，比如磷，从而形成大量的自由电子，这些自由电子成为多数载流子。

电子会从 N 区扩散到 P 区，空穴会从 P 区扩散到 N 区。在交界处会形成一个无自由载流子的区域，也就是耗尽层。同时还会产生一个内建电场，其方向是由 N 指向 P，这个内建电场的电压约为 0.3 - 0.7 V，具体数值取决于材料。

**2. 单向导电性的原理**

二极管的工作状态由外加电压方向决定：

#### **(1) 正向偏置（导通）**

- **外加电压方向**：正极接P区，负极接N区。

- **电场作用**：外电场削弱内建电场，耗尽层变窄。

- **载流子运动**：

P 区的空穴被推向 PN 结，N 区的电子被推向 PN 结，它们发生了扩散运动。

- 多数载流子穿过耗尽层形成电流（正向电流）。

二极管导通后，电流会随电压呈指数增长，并且这种增长是遵循肖克利方程的。

#### **(2) 反向偏置（截止）**

- **外加电压方向**：正极接N区，负极接P区。

- **电场作用**：外电场增强内建电场，耗尽层变宽。

- **载流子运动**：

多数载流子，P 区的空穴以及 N 区的电子，被拉离了耗尽层，并且几乎不存在扩散电流。

仅有极少的一部分载流子，比如 P 区的电子和 N 区的空穴，会形成非常微小的反向饱和电流，其电流值为 μA 级。

二极管处于截止状态，此时电流几乎为零，除非出现反向击穿的情况。

**3. 伏安特性曲线**

电压超过阈值后，对于硅管来说约为 0.7V，对于锗管来说约为 0.3V，此时电流会急剧上升。

反向区存在微小反向饱和电流，并且会一直到出现击穿电压（像齐纳击穿或者雪崩击穿这样的情况）。

当反向电压过高时，电流会骤然增加，这时需要限流电阻来防止器件损坏。

**4. 关键应用**

- **整流**：将交流电转为直流电（如电源适配器）。

- **开关**：利用导通/截止状态控制电路通断。

- **稳压**：齐纳二极管利用反向击穿特性稳定电压。

发光（LED）：电子与空穴复合的时候会释放出光子，这种情况需要特定的半导体材料，比如……

**总结**

二极管凭借 PN 结的单向导电性来达成电流的单向导通。其核心机制在于，外加电压能够对耗尽层以及内建电场进行调控。正是由于这一特性，二极管成为了电子电路中不可或缺的元件。