1. 半導体の性質

原子は、原子核と電子から構成されており、原子核は、陽子と中性子で構成されている。電子は、原子核の周りを雲のように回っている。陽子と中性子の総数は、原子番号と呼ばれ、原子番号が同じ原子は、同じ元素である。
電子は、負の電荷を帯びており、原子核の周りを雲のように回っている。電子の軌道は、エネルギーの異なるいくつかの層に分かれており、それぞれの層には、一定数までの電子しか入れない。
原子の構造は、元素によって異なります。例えば、水素原子は、原子核に陽子1個と中性子1個、電子1個を持っており、半導体の材料となるシリコン原子は、原子核に陽子14個と中性子14個、電子14個を持っている。
原子の構造は、物質の性質を決定する重要な要素であり、例えば、原子の電子の数が多いほど、物質は電気を通しやすくなる。また、原子の原子番号が大きいほど、物質は重くなる。

Si（シリコン）の単結晶は、図「Siの共有結合」に示すように、隣り合う4個の原子が価電子を１個ずつ出し合って、互いに２個ずつ価電子を共有した構造になっており、このような結合を共有結合という。この単結晶に電界を加えると、価電子が原子核の束縛から離れて自由電子となり、結晶内を移動する。（金属では金属結合を構成しており、多数の自由電子を持っているため、電流が流れやすい。導電性が高いともいう。）また、Si単結晶に熱を加えたり、光を当てても電界を加えたときと同じ現象が起きる。
図「自由電子と正孔」のように、価電子が自由電子となり抜けたところは、正孔となる。この正孔には隣の電子が移動してくる。このため、隣に正孔が移動することになる。このため、自由電子は電界の方向と逆に移動し、正孔は電界の方向に移動することになる。この正孔は、負の電荷である電子が抜けているので、その部分は正の電荷になっていると見なせる。従って、正孔の移動方向が電流の方向となる。自由電子は負の電荷を、正孔は正の電荷を運ぶものと考えることができ、これをキャリアと呼ぶ。

ｎ形半導体、ｐ形半導体

シリコンやゲルマニウムなどの半導体の結晶を99.9999999999%以上の高い純度に精製した半導体を真性半導体という。この真性半導体に不純物原子（真性半導体原子の数百万分の１程度）を混入したものを不純物半導体という。この半導体にはｎ形半導体とｐ形半導体がある。

n形半導体では、シリコン（Si）の真性半導体の中に、わすかなヒ素（As）を不純物として混入する。Siの価電子4個に対して、Asの価電子は5個である。そのため、4個の価電子が共有結合するが、Asの価電子が１個余る。この価電子が自由電子となる。従って、キャリアは電子が多く正孔が少なくなる。結晶内で数の多いキャリアを多数キャリアといい、少ない方を少数キャリアという。また、混入した５価の不純物をドナーという。
p形半導体では、シリコン（Si）の真性半導体の中に、わすかなホウ素（B）を不純物として混入する。Siの価電子4個に対して、Bの価電子は３個である。そのため、３個の価電子が共有結合するが、Bの価電子が１個不足する。この価電子が不足した部分が正孔となる。従って、p形半導体では、多数キャリアは正孔となる。。また、混入した３価の不純物をアクセプタという。