二极管是由p型半导体和n型半导体两个材料组成的。p型半导体中含有杂质原子，这些杂质原子比硅原子少一个电子，因此在p型半导体中有大量的空穴带正电荷，成为缺电子（正电荷）的p区。n型半导体中也含有杂质原子，这些杂质原子比硅原子多一个电子，因此在n型半导体中有大量的自由电子带负电荷，成为多电子（负电荷）的n区。当p区和n区接触时，电子和空穴会有扩散运动，形成一个电场，这个电场叫做PN结。
PN结有一个明显的特点，就是在PN结一侧，p区占优势，在另一侧，n区占优势。这种不同的占优势决定了电流只能单向流动。
PN结的形成会引起电势差，这个电势差成为“电势垒”。在PN结中，电势垒会阻止载流子向反向移动。当电势垒的高度小于施加在二极管上的电势时，载流子就会沿着方向移动，否则电势垒将会阻止它们流动。
因此，在电势垒的作用下，二极管只能让电流向一个方向流动。如正向电压使电势垒变薄，这时载流子便能跨过电势垒由p到n区，形成了通电状态；反向电压强度却增强了电势垒的高度，使其更难以被越过，从而形成了截止状态。
PN结两侧材料的电子和空穴浓度不同也是电流单向流动的原因之一。p区中的空穴浓度高于n区中的电子浓度，因此，当外加正向电压时，空穴向左流动匹配n区中的电子的流向，形成一个电流；而当反向电压作用于二极管时，少量的电子与空穴会发生结合，形成少量的电流，但由于载流子浓度不充分，因此这个电流极小，可以忽略不计。
最后，二极管只能单向导电还受到结构限制，比如二极管中PN结的厚度以及两侧质量的控制，这些都是使之形成单向导电的必要条件。只有严格控制PN结的形成，才能保证二极管的正常工作。任何失控的因素都可能会破坏PN结形成，从而打破二极管的单向导电特性。
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