電子物性
ここで扱う半導体材料は単結晶、すなわち原子が3次元的に周期的に配列しているものである。 図2Aは、純度が高く、不純物が無視できるほど少ないシリコン単結晶を簡略化して2次元で表現したものである。 結晶中の各シリコン原子は、4つの最近接原子に囲まれている。 各原子は外側の軌道に4個の電子を持ち、これらの電子を4個の近傍原子と共有している。 共有された電子対は、それぞれ共有結合を構成している。
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低温では結晶中のそれぞれの位置にある電子は拘束されているので電気伝導には使用されません。 高温では、熱振動により共有結合の一部が切断される。 結合が切れると、電流の伝導に関与できる自由電子が得られる。 電子が共有結合から離れると、その結合では電子が不足する。 この不足分は、隣接する電子の1つで埋められる可能性があり、その結果、不足分の位置がある部位から別の部位へと移動する。 この欠乏は、電子に似た粒子とみなすことができる。 正孔と呼ばれるこの架空の粒子は正の電荷を持ち、電界の影響を受けて電子とは反対の方向に動く。
孤立した原子の場合、原子の電子は離散的なエネルギー準位しか持つことができない。 多数の原子を集めて結晶を作ると、原子間の相互作用により、離散的なエネルギー準位がエネルギーバンドとして広がっていく。 熱振動がない場合（低温時）、半導体中の電子はいくつかのエネルギーバンドを完全に満たし、残りのエネルギーバンドは空っぽになる。 最も高いエネルギーバンドは価電子帯と呼ばれる。 その次に高いバンドは伝導帯で、価電子帯とはエネルギーギャップによって隔てられている。 このエネルギーギャップはバンドギャップとも呼ばれ、半導体の電子が持ち得ないエネルギーを指定する領域である。 重要な半導体の多くは、0.25～2.5eVのバンドギャップを持つ。 例えばシリコンのバンドギャップは1.12eV、ガリウムヒ素のバンドギャップは1.42eVです。
上述のように、有限温度では熱振動によりいくつかの結合が切断されます。 結合が切れると、自由電子が自由正孔とともに生じる。すなわち、電子はバンドギャップを越えて伝導帯に入るのに十分な熱エネルギーを持ち、価電子帯には正孔が残される。 半導体に電界をかけると、伝導帯の電子も価電子帯の正孔も運動エネルギーを得て、電気を通すようになる。 物質の電気伝導度は、単位体積あたりの電荷キャリア（自由電子と自由正孔）の数と、電界の影響下でこれらのキャリアが移動する速度に依存する。 半導体内部には、同数の自由電子と自由正孔が存在する。 しかし、電子と正孔は異なる移動度、すなわち電界の中で異なる速度で移動する。 例えば、室温のシリコンでは、電子の移動度は1,500平方センチメートル毎秒（cm2/V・s）、つまり1センチメートルあたり1ボルトの電界のもとでは、電子は毎秒1,500センチメートルの速度で動くが、ホールは500cm2/V・sで移動する。 一般に、半導体の移動度は温度の上昇や不純物濃度の増加とともに低下する。
室温では、固有半導体の電気伝導は非常に悪い。 より高い伝導を得るために、意図的に不純物を導入することができる (通常、ホスト原子 100 万分の 1 の濃度にする)。 これがいわゆるドーピング処理である。 例えば、シリコン原子をヒ素のような5個の外部電子を持つ原子に置き換えると（図2C）、そのうちの4個の電子が、隣接する4個のシリコン原子と共有結合を形成する。 5番目の電子は伝導電子となり、伝導帯に「寄贈」される。 電子が加わることで、シリコンはn型半導体になる。 ヒ素原子はドナーである。 同様に、図2Cは、シリコン原子の代わりにホウ素のような外側に3個の電子を持つ原子を用いた場合、さらに電子を「受容」してホウ素原子の周りに4個の共有結合を形成し、価電子帯に正電荷のホールを生成していることを示している。 これがp型半導体であり、ホウ素はアクセプターとなる
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