我們身邊的材料可以按導電性分為導體（Conductor）、絕緣體（Insulator）和半導體（Semiconductor）。金屬、石墨、人體等具有良好的導電能力，被稱為導體。橡膠、塑料、干木頭等是不導電的，或者說導電能力極差，屬于絕緣體。而導電能力介于導體與絕緣體之間的硅、鍺等材料，就是半導體。來張圖直觀看看物體的導電性：

按照導電性可分為：

絕緣體：電導率很低，介于10-18~10-8 S/cm，如熔融石英、玻璃；

導體：電導率較高，介于103~108 S/cm，如鉍、銀等金屬；

半導體：電導率則介于絕緣體和導體之間。

一、能帶的概念

想要更深層次地了解半導體，就需要先了解一下能帶的概念。能帶是根據電子能量高低及狀態劃分的區域，通常包括導帶（Conduction band）、禁帶（Forbidden band）、價帶（Valence band）三部分。電子在能帶中的位置越高，其能量就越大。

以下是非常學術的解釋：

本征半導體的晶體結構中存在著由于熱激發出來的“自由電子”，還有未能夠被激發出來的“價電子”（存在于共價鍵之中）。價電子要想逃離原子核的束縛需要具有一定的能量克服引力做功，一旦逃離出共價鍵之后，勢必當前的電子吸收的外在的能量，具有更高的能量。我們任意剖開某一個晶格，進入到晶體的微觀世界中，可以將共價鍵控制的區域稱為價帶，將共價鍵控制不到的區域稱為導帶，顧名思義在導帶里面的電子成為了電流的載流子。價帶和導帶之間稱為禁帶，在量子世界里，電子能夠吸收能量從價帶躍遷到導帶，也能釋放能量從導帶跌入到價帶，禁帶被認為是電子的真空區域。

以下是很形象的比喻：

導帶是高架橋，價帶是地面人行道。半導體就像是人滿為患時的地面交通，電子們寸步難行擠成狗，但你若是有本事跳上空曠無人的高架橋，那就可以隨便蹦跶了。高架橋到地面之間的空檔，就被稱為禁帶。所謂禁帶，就是說電子沒地方可站。高架橋若是太高，電子們跳不上去，交通便陷入徹底癱瘓。這是絕緣體。高架橋若是接上了地面道路，電子們就能紛紛上橋，交通立刻順暢起來。這是金屬。現代半導體技術，之所以能夠實現器件的開關，就是能夠在高架杯和地面之間架起一座臨時的梯子，它將決定地面上有多少幸運的電子能夠登上高架橋，擔負起導電的偉大使命。

因此，禁帶寬度（Bandgap）是區分導體、絕緣體和半導體的重要標志。導體的禁帶寬度為零，電子可以輕易進入導帶，成為自由電子，因此導體的導電能力很強。而絕緣體的禁帶寬度很大，電子要躍遷到導帶需要很大的能量，只有極少的電子能越過禁帶，因此絕緣體的導電能力極差。而半導體的禁帶寬度較絕緣體小，電子越過禁帶需要的能量小，有更多的電子能夠越過禁帶，因此導電能力比絕緣體略強，但仍然遠遜于導體。

Si3N4的禁帶寬度為8eV（電子伏特），Al2O3的禁帶寬度為10.6eV，它們是絕緣體。而鍺、硅、砷化鎵、氮化鎵以及氧化鎵的禁帶寬度分別為0.67eV、1.12 eV、1.43eV、3.4eV和4.8eV左右，它們都是半導體。（注：電子伏特是能量單位，代表一個電子經過1V的電位差加速后所獲得的動能）

從三種材料的能帶圖來看，半導體和絕緣體的能帶是類似的，而與導體的能帶圖相差較大。其實并沒有一個明確的禁帶寬度大小來區分半導體與絕緣體，并且隨著半導體材料的不斷發展，半導體的禁帶寬度越來越大，寬禁帶、超寬禁帶半導體的禁帶寬度，已經越來越接近一些絕緣體。

二、N型半導體和P型半導體

半導體相較于絕緣體有另一個特征，那就是半導體材料中一旦摻入了雜質原子（簡稱摻雜）后，就會對半導體材料的物理和化學性質產生決定性的影響。如按十萬分之一的比例在硅中摻入磷原子，硅的導電性將提升一千倍。

自然界中常見的元素半導體有硅、鍺。而鍺基半導體比硅基半導體還要更早發現和應用，但是硅的天然優勢就是便宜！自然界中常見的沙石就含有大量的硅元素！

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子，這種共用電子對的結構稱為共價鍵（Covalent bonding）。注意，硅原子共用電子的情況是，中間一個硅原子和四個硅原子共用電子。

物理學家想到一個問題，如果不與周圍硅原子共用電子，把其他原子拉進會怎樣？砷原子最外層有5個電子，其中4個電子找到了硅原子，另外一個電子單著了，這個電子成了無業游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅的導電性。此時的砷原子多提供了一個電子給硅，因此砷原子被稱為施主（donor）。硅的自由電子多了以后，帶負電的載流子增加，硅變成N型半導體。為啥叫N型？在英文里Negative代表負，取這個單詞的第一個字母，就是N。

同樣，物理學家想，既然可以把電子多的砷元素拉進群，那么是否也可以把電子少的硼原子拉進群？ 由于硼原子最外層只有3個電子，比硅少一個，于是本來兩對電子的共價鍵現在成了只有一對電子，多了一個空位，成了帶正電的空穴（Hole）。此時的硅基半導體被稱為P型半導體，同樣P來自英文單詞Positive的首字母，而硼原子則被稱為受主（acceptor）。正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導體和P型半導體。

由于加入硼或砷以后，它們改變了硅的電化學性能，此時的半導體叫做非本征（extrinsic）半導體，而由P型半導體和N型半導體接觸形成的結稱為p-n結！

三、p-n結的原理

左圖是一個P型半導體和一個N型半導體，它們獨立存在時對外不顯電性。

將它們拼接在一起，你看看我，我看看你，P家的空穴想去N家串串門，N家的電子也想去P家看看。它們分別往對方的陣地走，走著走著它們猛然發現，電子可以掉進空穴里，空穴可以完全接納電子，在它們碰到的地方既沒有了空穴，也沒有了電子（因為復合了），這個區域稱為耗盡區（Depletion region）。既然中間有了耗盡區，電子跑不動了，空穴也跑不動了。

但如果我們給這些電子加把力，把它往前推一下會怎么樣呢？那就給這個p-n結外加一個電場，有電場就有了電子的流動。我們把P型半導體接入正極，N型半導體接入負極時（如下圖）。外加電壓使P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；p-n結加正向電壓時，p-n結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，p-n結處于導通狀態。

如果把正負極反過來接在p-n結上會怎樣？將外加電壓使P區的電位低于N區的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏；p-n結加反向電壓時，p-n結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，p-n結處于截止狀態。

總結一下，通過對p-n結施加不同方向的電壓，得到：p-n結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流，p-n結導通。p-n結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流，p-n結截止，由此可以得出結論：p-n結具有單向導電性。要知道，p-n結是一切半導體器件的基礎，就如同面粉是主食的基礎，面粉可以做成包子、饅頭、面包、面條…