1-1.能带图

材料中的自由电子允许电流自由流动。尽管自由电子是原子的一部分，但自由电子与材料中的原子松散结合，因此自由电子可以自由移动。
在经典物理学中，玻尔模型是一种物理模型，它由一个包含质子和中子的小原子核组成，电子围绕该原子核在多个轨道上运动。每个元素都有固定数量的电子，这些电子从最靠近原子核的轨道排列。例如，硅（Si）半导体有14个电子。图1-3显示了硅的玻尔模型。

由于电子具有波动性，它们仅在半径为其波长的整数倍的轨道上是稳定的。因此，电子在由玻尔模型所表示的离散轨道内运动。
单个孤立原子中的电子轨道有一条极窄的能带。然而，根据泡利不相容原理，两个或多个电子不能在同一轨道上。因此，随着物质状态从单个原子变为分子再变为晶体，其电子轨道形成连续的能级带结构。

电子离原子核越近，它们与原子核的结合就越紧密。最外层中结合最松散的电子称为价电子。这个最外层称为价带。最外层以外的区域称为导带（CB）。由于电子具有如上所述的波动性，因此在电子不能存在的价带与导带之间有一个能隙。这个能隙被称为禁带。
价带中的电子不能自由移动，因为它们与原子核相结合。为使这些电子在原子之间自由移动，它们必须吸收足够的热量或光能才能从价带激发到导带（例如，从M层到N层）。这种电子激发所需的最小能量就是带隙。

图1-4显示了绝缘体、半导体和金属的能带。
对于绝缘体和半导体，电子所占据的最外层称为价带，没有任何电子占据的外层称为导带。对于金属，并非最外层导带中的所有轨道都被电子占据。由于金属有空轨道，因此电子可以在金属中自由运动。
价带和导带被禁带隔开，而在禁带中电子不能以稳态存在。禁带的能宽称为带隙。半导体的禁带比绝缘体的禁带窄（即带隙更小）。
绝缘体和半导体在导带与价带之间有一个费米能级。对于金属，费米能级位于有助于传导的电子能级所在的能带。尽管费米能级被定义为轨道在任何特定时间有50%的概率被电子占据的能级，但绝缘体和半导体的费米能级位于不存在电子的禁带中。

下文描述了通过向本征半导体（即未掺杂的（纯）半导体）添加杂质（称为掺杂剂，例如磷（P）和硼（B））后形成的n型半导体和p型半导体。
n型半导体：
硅的化合价为4，有四个键。硅是一种不含任何掺杂剂或杂质的本征半导体。我们来看一下当硅晶体掺杂化合价为5的元素（磷（P）、砷（As）或锑（Sb））时会发生什么情况。图1-5显示磷原子能与四个硅原子键合，但由于它有五个价电子可以提供，所以没有可以键合的第五价电子。因此，只有少量的能量会导致第五价电子作为自由电子释放。由于n型半导体具有额外的电子，因此其费米能级在室温下接近导带。

为制造p型硅半导体，将化合价为3的元素（硼（B）、铟（In）或镓（Ga））作为掺杂剂。由于化合价为3的元素在价带中只有三个电子，因此它会从硅原子中吸引一个电子。由此产生的空键位称为空穴，它可以像自由电子一样在硅晶体中自由运动。由于p型半导体具有额外的空穴，因此其费米能级在室温下接近价带。