Hay algunos materiales que no tienen ni buena ni mala conductividad de la electricidad. Tienen un rango moderado de conductividad eléctrica. Los ejemplos de tales materiales son el germanio, el silicio, el carbono, etc. Como la conductividad de esos materiales se encuentra entre los buenos conductores y los aislantes, y estos materiales se llaman semiconductores.
Los átomos de los elementos semiconductores tienen exactamente cuatro electrones de valencia. Debido a estos cuatro electrones de valencia, el semiconductor tienen algunas características y propiedades eléctricas especiales, que los hacen útiles para su uso extensivo en elementos de circuitos electrónicos como diodos, transistores, SCRs…etc. Aunque un semiconductor tiene muchas propiedades físicas, el nombre de semiconductor se le da a este material debido a su moderada conductividad eléctrica.
La resistividad de un semiconductor oscila entre 10– 4 m a 0,5 m. Donde la resistividad del cobre es de aproximadamente 1,7 10– 8 m en temperatura ambiente y la resistividad del vidrio es de aproximadamente 9 1011 m. El cobre es bueno director y el vidrio es aislante.
Ya hemos dicho que el semiconductor es útil en los elementos de los circuitos electrónicos no sólo por su moderada resistividad sino por sus muchas otras propiedades especiales.
Algunas de las principales propiedades de los semiconductores son,
- La resistividad es menor que una aislante y más que un director de orquesta.
- El coeficiente de resistencia de la temperatura es negativo.
- Cuando se añaden impurezas a un semiconductorla resistividad del semiconductor cambia abruptamente.
Bonos en Semiconductor
Los electrones de valencia en los átomos semiconductores tienen un papel vital en la unión entre átomos en el cristal semiconductor. La unión entre los átomos se produce porque cada átomo tiene la tendencia a sentir su célula más externa con ocho electrones. Cada átomo semiconductor tiene cuatro electrones de valencia, por lo que el átomo puede compartir otros cuatro electrones de valencia de átomos vecinos para completar ocho electrones en su célula más exterior. El enlace entre átomos compartiendo electrones de valencia se llama el enlace covalente. Cada átomo semiconductor crea cuatro enlaces covalentes con cuatro átomos vecinos en el cristal. Esto significa que se crea un enlace covalente con cada uno de los cuatro átomos semiconductores vecinos. La figura de abajo muestra los enlaces covalentes formados en un cristal de germanio. 
En el cristal de germanio, cada átomo tiene ocho electrones en su última órbita. Pero en un solo átomo de germanio aislado, hay 32 electrones. La primera órbita consiste en 2 electrones. La segunda órbita consiste en 8 electrones. La tercera órbita consiste en 18 electrones y los restantes 4 electrones están en la cuarta o más externa órbita. Pero en un cristal de germanio, cada átomo comparte 4 electrones de valencia de cuatro átomos vecinos para llenar su órbita más exterior con ocho electrones. De esta manera, cada uno de ellos en el cristal tendrá ocho electrones en su órbita más exterior. 
Al formar estos enlaces covalentes, cada uno de los electrones de valencia en el cristal se asocia con los átomos, por lo que no habrá ningún electrón libre en el cristal en condiciones ideales. En un semiconductorel átomos están ordenados debido a los enlaces átomo a átomo covalente. Esto forma la estructura cristalina de un semiconductor.
Semiconductor de uso común
Hay muchos semiconductores, pero pocos de ellos se usan para circuitos electrónicos. Los dos semiconductores más utilizados son el silicio y el germanio. El silicio y el germanio requieren menos energía para romper sus enlaces covalentes en el cristal. Esta es la razón principal para usar estos dos semiconductores más comúnmente. El silicio requiere 1,1 eV para romper cualquier enlace covalente en su cristal y el germanio requiere
0,7 eV para el mismo propósito.
Silicio
El silicio tiene un total de 14 electrones en su átomo aislado. La primera órbita consiste en 2 electrones. La segunda órbita consiste en 8 electrones y la tercera órbita consiste en 4 electrones. Como hay cuatro electrones en la órbita más externa de un átomo de silicio, el silicio es un elemento tetravalente. Cada átomo de silicio en el cristal de silicio crea enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio vecinos. De esta manera, cada átomo de un cristal de silicio recibe 8 electrones en su órbita más exterior. Los enlaces covalentes átomo a átomo disponen los átomos de silicio en el cristal de manera ordenada.
Germanio
El germanio tiene 32 electrones en su átomo aislado. La primera, segunda y tercera órbita del átomo de germanio consiste en 2, 8 y 18 electrones respectivamente. La cuarta o más externa órbita del germanio consiste en [32 (2+8+18) = 4] 4 electrones. De manera similar a los átomos de silicio en el cristal, los átomos de germanio en el cristal de germanio forman cuatro enlaces covalentes con cuatro átomos de germanio adyacentes. Por las mismas razones que en el cristal de silicio, los átomos de germanio en el cristal de germanio se disponen de forma ordenada.
Teoría de la banda de energía de los semiconductores
En un cristal semiconductor, las bandas de valencia están llenas de electrones de valencia. Debido a los enlaces covalentes átomo a átomo, toda la banda de valencia está llena de electrones de valencia en condiciones ideales. Por lo tanto, en condiciones ideales, toda la banda de conducción está vacía. Pero la tipicidad de la semiconductor es que la brecha entre la banda de conducción y la banda de valencia es moderadamente pequeña. Es alrededor de 1 eV. Por lo tanto, para cualquier energía externa suministrada al cristal, los electrones de la banda de valencia pueden adquirir la capacidad de migrar a la banda de conducción y aumentar la conductividad.
Llamamos a la brecha de energía entre la conducción y la valencia como la brecha de energía prohibida. La brecha de energía prohibida del silicio es de 1.1 eV y lo mismo para el germanio es de 0.7 eV. Como la brecha de energía prohibida es bastante moderada, un electrón en la banda de valencia requiere una pequeña energía para cruzar la brecha de energía prohibida para liberarse. Incluso a temperatura ambiente, hay un número de electrones libres disponibles en un cristal semiconductor de silicio o germanio. No sólo en el semiconductor de silicio o germanio, en todos los demás semiconductores hay números de electrones libres a temperatura ambiente, por la misma razón. Estos electrones libres, que están en bandas de conducción, causan la conductividad del semiconductor. Aunque hay un número de electrones libres en un semiconductor a temperatura ambiente, pero aún así el número es bastante pequeño comparado con el número de átomos en un trozo de cristal semiconductor. Se ha descubierto que, a temperatura ambiente, de cada 1010 átomos de semiconductores, sólo habrá un electrón libre.
Debido a este pequeño número de electrones libres, los semiconductores poseen una moderada conductividad, es decir, no tan buena como la del conductor metálico y no tan pobre como la del aislante. A la temperatura de cero absoluto, no habrá energía externa disponible en un cristal semiconductor. No habrá ningún electrón de valencia cruzando la brecha de energía prohibida. Por lo tanto, no habrá ningún electrón libre disponible en el cristal semiconductor. Por consiguiente, el semiconductor se comportará como un perfecto aislante a temperatura cero absoluta.
Ahora cuando la temperatura del semiconductor se eleva del cero absoluto, los electrones de la banda de valencia obtienen energía y cruzan la brecha prohibida, por lo tanto se convierten en electrones libres. A medida que la temperatura aumenta continuamente, el número de electrones libres aumenta en el cristal del semiconductor y por lo tanto la conductividad del semiconductor aumenta. La conductividad es la inversa de la resistencia. Esto significa que, con un aumento de la temperatura, la resistencia de un semiconductor disminuye. Por lo tanto, podemos decir que un semiconductor tiene el coeficiente de temperatura negativo de la resistencia. Por lo tanto, a temperatura ambiente, si aplicamos una diferencia de potencial a través de un semiconductor, habrá una pequeña actual que fluye a través del semiconductor debido a su moderada conductividad desarrollada en el semiconductor a temperatura ambiente.
Cada vez que un electrón migra de la banda de valencia a la banda de conducción, se crea un lugar vacío en la banda de valencia, donde un nuevo electrón puede sentarse. Nos referimos a este lugar vacío en la banda de valencia donde un electrón puede sentarse, como un agujero. Tan pronto como un electrón se libera, se crea un agujero detrás de él en la banda de valencia. Por lo tanto, por cada electrón libre en un semiconductor puro, habrá un agujero. Por lo tanto, podemos decir que cualquier energía externa, principalmente la energía térmica, no sólo crea electrones libres en el cristal del semiconductor, sino que crea pares de orificios para los electrones.
Cada enlace covalente en el semiconductor, consiste en dos electrones de valencia aportados por dos átomos vecinos. Cuando uno de los electrones de valencia abandona el enlace, el enlace se vuelve incompleto. Este vínculo incompleto tiene una fuerte tendencia a completarse atrayendo un electrón. El agujero es la vacante de electrones creada en el enlace covalente y como este agujero puede atraer electrones, podemos asumir el agujero como un equivalente de carga positiva. Pero no existe una existencia física de carga positiva sino hasta que puede actuar como una carga positiva. En otras palabras, un agujero en el semiconductor es una carga positiva virtual.
Como los electrones libres, los agujeros en el cristal semiconductor se mueven de un punto a otro. Pero el movimiento de los agujeros en el semiconductor es diferente al de los electrones libres. Los electrones libres se mueven físicamente en la estructura del cristal semiconductor. Los agujeros se mueven en el cristal semiconductor virtualmente. Cada agujero creado en el cristal está fuertemente asociado con sus átomos padres. Por lo tanto, físicamente no se mueve. Cuando un electrón de otro enlace covalente viene y se sienta en el agujero, el agujero desaparece. Pero el electrón que se sienta en el agujero que viene de cualquier otro enlace covalente, por lo tanto el electrón ha creado un agujero en su enlace anterior. Por lo tanto, un nuevo agujero ya ha aparecido allí. De esta manera, un agujero se desvanece y otro aparece al mismo tiempo. Prácticamente como tal agujero se mueve de su antigua posición a su nueva posición.
Cuando aplicamos una diferencia de potencial a través de un semiconductorlos electrones libres pasan del lado negativo al positivo del potencial. Al mismo tiempo, los agujeros se mueven desde el lado positivo del lado negativo.
Semiconductor intrínseco
Semiconductor intrínseco es un semiconductor extremadamente puro. A temperatura ambiente, los pares electrón-hueco creados en el cristal semiconductor intrínseco sólo se deben a la excitación térmica. Un semiconductor intrínseco tiene una moderada conductividad de electricidad debido a la concentración de electrones libres y agujeros creados térmicamente en el cristal, a temperatura ambiente.
Semiconductor extrínseco
Podemos cambiar la conductividad del semiconductor de forma significativa añadiendo algunas impurezas en él. Nos referimos al proceso de añadir impurezas en un semiconductor para cambiar su propiedad conductiva, como dopaje.
Las impurezas añadidas en el semiconductor aumentan el número de electrones libres o aumentan el número de agujeros dependiendo del tipo de impurezas añadidas. Cuando añadimos elementos pentavalentes como impurezas, el número de electrones libres en el cristal del semiconductor extrínseco aumenta. Cuando añadimos elementos trivalentes como impurezas el número de agujeros en el semiconductor aumenta. Llamamos, el semiconductor extrínseco con más electrones libres que agujeros como semiconductor de tipo n. Llamamos semiconductor extrínseco con más número de agujeros que el número de electrones libres, como semiconductor tipo p. Así que la cantidad de dopaje determina la conductividad del semiconductor. El tipo de elementos dopados determina el tipo de semiconductor, ya sea de tipo n o de tipo p en la naturaleza.
Semiconductor tipo N y tipo P
Cuando añadimos elementos de impureza pentavalentes a un semiconductor intrínseco se convierte en un semiconductor de tipo N. La adición de pentavalente elimina contribuye un gran número de electrones libres en el semiconductor. Comúnmente usamos arsénico y
el antimonio como la impureza pentavalente para el propósito.
Tomemos un germanio puro. El germanio puro tendrá algunos electrones libres así como agujeros a temperatura ambiente. Hay dos razones por las que los electrones libres y los agujeros siempre están presentes incluso en un cristal semiconductor puro.
1) A temperatura ambiente, habría algunos pares electrón-hueco generados térmicamente.
2) No podemos preparar materiales absolutamente puros prácticamente. Por lo tanto, siempre hay algunas impurezas presentes en el semiconductor, aunque la cantidad de las mismas puede ser insignificantemente pequeña. Entre estas impurezas, puede haber impurezas pentavalentes y trivalentes. Estas impurezas pentavalentes y trivalentes crean electrones libres y agujeros en el semiconductores incluso sin ningún tipo de dopaje externo de impurezas.
Ahora añadamos un elemento pentavalente como el arsénico en ese semiconductor de germanio. El arsénico tiene cinco electrones de valencia ya que es pentavalente. Los cuatro electrones de valencia de cada átomo de arsénico participan en la creación de enlaces covalentes con cuatro átomos de germanio vecinos. De esta manera, cada átomo de arsénico llena su banda de valencia. El quinto electrón del arsénico que no participa en la formación del enlace covalente, no puede ocupar el lugar del enlace de valencia. Este electrón migra entonces a la banda de conducción del cristal y se convierte en un electrón libre. De esta manera, habrá muchos electrones libres creados intencionadamente añadiendo impurezas pentavalentes en el semiconductor.
Ahora el número total de electrones libres (n) en el germanio sería, la suma de los electrones libres creados térmicamente (Na) los electrones libres creados debido a las impurezas inherentes del semiconductor (Nb) y los electrones libres creados debido a las impurezas pentavalentes añadidas externamente (Nc).
Ahora el número total de agujeros (p) en el semiconductor sería la suma del agujero creado térmicamente (Pa) y los agujeros creados debido a las impurezas inherentes del semiconductor (Pb).
La impureza pentavalente añadida externamente idealmente no contribuye a ningún agujero en el semiconductor. Una vez más, el número de átomos de impureza externamente añadidos o dejados caer (aquí es el arsénico) es bastante grande, por lo que el número de electrones libres en el semiconductor pentavalente dopado es bastante mayor que el número de agujeros.
Debido al mayor número de electrones libres en el semiconductorllamamos al semiconductor como tipo negativo o semiconductor tipo n. La misma explicación puede aplicarse al tipo positivo o semiconductor tipo p.
