4. 基于 PN 结的特性，二极管能够实现特定的功能。

1. 半导体材料与掺杂

半导体具有这样的特性：像硅（Si）以及锗（Ge）等材料，它们的导电性处于导体和绝缘体之间。并且可以通过掺杂这种方式来改变其电学性质。

N 型半导体掺入了磷这种五价原子，从而提供了多余的自由电子，在这种半导体中，多数载流子是电子。

P 型半导体：将硼（三价原子）掺入其中，这样就会形成空穴。在 P 型半导体中，多数载流子为空穴，空穴相当于正电荷。

2. PN结的形成

P 型和 N 型半导体结合时，交界处会发生电子和空穴的扩散现象。因为浓度差的缘故，电子从 N 区扩散到 P 区，而空穴则反向扩散。这样就形成了耗尽层，也就是无自由载流子的区域。

扩散使得 P 区带有负电，N 区带有正电。由此产生了由 N 指向 P 的内建电场，这个内建电场会阻止扩散的进一步进行，最终达到平衡状态。

3. 偏置电压的影响

正向偏置（导通）：

P 区与正极相连接，N 区与负极相连接。外电场的作用使得内建电场被削弱，耗尽层随之变窄。多数载流子，其中包括 N 区的电子和 P 区的空穴，能够越过势垒。这样就形成了大电流，其增长呈现指数型，在硅管中，阈值电压约为 0.7V 。

反向偏置（截止）：

P区接负极，N区接正极，外电场与内建电场同向，耗尽层变宽。

少数载流子，也就是 N 区的空穴和 P 区的电子会发生漂移。这种漂移形成了微小的反向饱和电流，其电流值为 nA 级。这种情况下，我们将其视为截止状态。

4. 关键物理现象

单向导电性：正向导通，反向截止，用于整流、开关等。

反向击穿可用于稳压二极管。

PN 结处会出现能带弯曲的情况，这种能带弯曲形成了势垒。外加的电压可以对势垒的高度进行调节，通过这种方式能够控制载流子的流动。

5. 其他类型二极管

发光二极管（LED）：在载流子复合的时候会释放出光子。其中的材料有 GaAs。

肖特基二极管：金属-半导体结，快速开关，低正向压降。

6. 应用与意义

二极管是电子学基础元件，用于整流、信号调制、保护电路等。

它是晶体管和集成电路的基础，对计算机等现代电子技术的发展起到了推动作用。

总结：二极管能够控制电流方向，这是通过 PN 结的内建电场以及外部偏置电压来实现的。其核心要点在于半导体经过掺杂后所形成的载流子的行为以及电场的调控。这一原理为现代电子器件奠定了基础。