半导体的结构与特性
随着科学的不断发展，逐渐发现了半导体的种种导电性能，利用它可以获得许多意想不到的功用。例如利用煤油灯所散发的热量来工作的半导体发电器，可以供给收音机所需的电源。一种用半导体做的大面积发光装置，一通上电，整个房间里就放出洁白柔和的光线，照耀得如同白昼一般，简直像进入了神话世界。还有一种用半导体做的光电池，可以把太阳光线变成电源，如果广大农村的屋顶铺上这种材料，家家都有电气化的可能。半导体还可以用来做电冰箱。工作时没有声音，效率却很高，而且省电。
特别是用半导体做的晶体管，由于它的体积小、重量轻、耗电少，而且寿命长，而这些优点都是电子管所不及的，因而得到广泛的应用。很多应用电子管的电子仪器、设备和无线电机内都换用了晶体管，并且得到一些使用电子管所得不到的效果。半导体的应用有广阔的发展前途，并愈来愈显示出它对工业、农业、国防、科学研究等各方面的重要性，今天人们正在为创造更多更好的半导体器件和设备而努力。
半导体的奇怪的导电性能
物质的导电性能以电阻率来表示。电阻率就是某种物质单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。
金属导体的电阻率很小，约为10－6～10-3欧·厘米。绝缘体电阻率很大，约为108～1020欧·厘米。半导体的电阻率却介于它们之间，约为10-3～108欧·厘米。这个范围很宽，说明属于半导体的材料是很多、很丰富的。
导体、绝缘体的电阻率随温度的变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很剧烈：每升高1℃，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此，当温度较高时，电阻率甚至下降到很小，以致变成和导体一般。
在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过千分之一，它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质对它的电阻率影响很大；以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的1/16。
此外，半导体还受光的影响。光线照射将使它的电阻率降低，这也是和金属导体及绝缘体不同的。
从原子结构谈起
宇宙间所有的物质元素都由原子组成。原子中间都有一个“原子核”和若干绕原子核不停地旋转的电子。不同元素的原子所包含的电子数目是不同的。电子带有单位负电荷，原子核带正电荷。正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等，所以原子是中性的。
电子围绕原子核运动，和太阻系中行星围绕太阳运行相似。在核的引力作用下。电子分成几层按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数目也有一定规律。例如在图1上硅和锗两元素的原子结构中，最靠近核的第一层轨道称为K层，只能容纳2个电子；第二层为L层，能容纳8个，第三层M层能容纳18个，……。硅有14个电子，所以各层依次分布有2、8、4个电子。锗原子有32个电子，所以按2、8、18、4排列。原子最外一层轨道往往没有为电子填满到规定数目。我们把最外层的电子叫做“价电子”。
受外界作用，电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子自由行动成为“自由电子”。这些自由电子在电场力的作用下，产生空间的运动就形成了电流。可以想像得到最外层的价电子因离核比较远，所受束缚力最小，最容易受外界影响而形成自由电子，所以从导电性能来看，价电子是很重要的。金属的原子核对价电子的束缚力很弱，在常温下就能产生大量自由电子，故容易导电。温度升高时，电子热运动加剧，相互碰撞机会增多，电阻率增高。绝缘体和半导体的价电子受到的束缚力强，常温下自由电子数目很少，故不容易导电，电阻率也就高了。
晶体的结构是怎样的？
晶体内的原子很整齐地排列着。各个原子之间有相互排斥的力量，而每个原子除了吸引（束缚）住自己的价电子外，还吸引住相邻原子的价电子。因此，两个相邻原子的价电子便成对地存在，这一对电子同时受这两个原子的束缚，为它们所“共有”；而这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样，电子对就好像起了“键”（联结）的作用，所以我们叫它“共价键”。由于上述几个作用力始终处于平衡状态，所以依靠各原子之间的这种共价键的作用，晶体内的各原子能够稳定地结合在一起，出现一个个的晶格，组成了晶体。
在图2上面出了锗晶体的结构示意图。图中虚线表示的立方体就是晶体的一个单元——晶胞。其中的圆球表示锗原子的位置；由于锗原子有四个价电子，所以立方体中心的锗原子和相邻四个锗原子分别用两根“棒”连接起来，表示它们通过共价键而结合在一起。在理想情况下，晶格是很完整的，所有的价电子都组成了电子对，因此没有自由电子。这时晶体是不易导电的。
电子导电和空穴导电
在外力作用下，晶格中的共价键的价电子可能脱离键的束缚而成为自由电子，就好像一组共价键拆去了一根。这就留出了一个“空位子”，我们把这个空位子叫做“空穴”。由于原子本身正电荷和负电荷数量相等，故原子失去了电子后，整个原子就带正电荷，就叫正离子。正离子容易吸引相邻原子的价电子来填补电子离开所留下的空位，使相邻原子中又出现空穴；而这个新出现的空穴，又可能为别的电子去填充。电子这样不断地填充空穴，就使空穴的位置不断在原子间转移。空穴的转移，实际上也是电子（电荷）的运动，所以也形成电流，这叫做“空穴流”。而原来失去的电子，在晶体中运动，形成了“电子流”。但为了便于叙述，今后就认为空穴在运动，而且把它当作一个正电荷来看（实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量）。由于空穴和电子都带有电荷，它们的运动都形成电流，所以就统称它们为“载流子”。
一块不含有杂质的、晶格完整的半导体叫做“本征半导体”。因为它晶格完整，如果有一个电子从共价键中释放出来，必定留下一个空穴，所以本征半导体中电子和空穴总是成对地出现，它们的数目相等，称为“电子-空穴对”。在常温下，由于热运动的结果，在本征半导体中会产生一定数量的电子-空穴对，形成了电子流和空穴流，总的电流是两者之和。如没有外界电场作用，电子和空穴的这种运动是杂乱无章的，电子流和空穴流方向也是不定的，结果互相抵消没有净电流出现。图3就表示本征半导体中产生电子和空穴热运动的情况。为了简单起见，只画了晶格结构的平面图，立体晶格中的情况也可以想见。图中大圆圈表示锗“原子实”（原子中除去了价电子的其它部分），两旁二根细线及黑点表示“共价键”。而当有电场作用下，半导体两端就出现电压，电子向“正”端方向运动，而空穴向“负”端方向移动，形成了定向电流如图4。半导体内就产生了电流了。本征半导体因电场作用而产生的导电现象就叫“本征导电”。
什么是P型半导体和N型半导体？
以前说过半导体中加进了杂质，电阻率就大大降低。原来加进杂质后，空穴和电子的数目会大大增加。例如在锗晶体中掺入很少一点三价元素铟，铟的价电子只有三个，它进入后和锗组成晶格，它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键，而对相邻的第四个锗原子，它没有电子拿出来与这个锗原子“共有”了，这就留下了一个“空穴”（见图5）。因而掺入了少量的杂质铟，就会出现很多的空穴，因为即使是少量的，里面含有的原子数目却不少。杂质半导体中空穴和电子数目不相等，受电场作用时，空穴导电是主要的，所以叫“空穴型半导体”，或者说是“P型半导体”，换句话说，“P型”或“空穴性”半导体内是有剩余空穴的，掺入的杂质提供了剩余空穴。“P型”半导体中空穴是多数，所以叫空穴为“多数载流子”；电子数目少，就叫“少数载流子”。掺入的杂质能产生空穴接受电子，我们叫这种杂质为“受主杂质”。
有时也把一些五价元素如砷掺入锗晶体中，砷有5个价电子，它和四个锗原子的价电子组成共价键后，留下一个剩余电子，这个剩余电子就在晶体中到处游荡，在外电场作用下形成定向电子流（参见图6）。同样地，掺入少量的砷杂质，就会产生大量的剩余电子，所以叫这种半导体为“电子性”半导体或是“N型”半导体。在这种半导体中有剩余电子，这时电子是多数载流子，而空穴是少数载流子，砷是“施给”剩余电子的杂质，所以叫作“施主杂质”。
如没有外电场作用，不论N型或P型半导体，它们的载流子运动是无规则的，所以不会形成电流。杂质掺入的数量是严格控制的。不能多掺，多掺了，载流子数目太多，电阻率降得太低，就失去半导体的作用了。因此，对本征半导体的纯度要求就非常高。对于锗来说，要求含锗量在0.999999999（简称九个“9”）以上，看来是多么不容易啊！这只有在近代技术高度发展的条件下才能生产纯度这样高的锗晶体。
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