60年前美国的几位实验物理学家在没有任何理论指导的前提下，依靠无数次的试验，执着地探索，终于发明了半导体及晶体管。引领人类进入到电子时代，为科技进步作出了划时代的贡献。
半导体导电原理
半导体材料的导电能力介于金属导体与绝缘体之间，能制作成半导体晶体管，从而具有整流、放大、热敏、光敏等许多非凡的电学性能。半导体的主体材料是硅或锗，是有4个价电子的非金属材料，这样的物质是怎样形成半导体、如何产生导电性能的呢？
4价元素导电问题 在上一章谈到了物质的导电，谈到了流通，建立了电子空位之说，论述了电压波的传导和金属的导电。
写到这里有人会问：硅、锗、金刚石等物质的原子外层仅4个价电子，还有4个空位，那它们为什么不导电？石墨也是由碳原子构成，它为什么又导电呢？
这里需要说明的是：导电是物质的整体性能，不应以单个或几个原子的状态来认识整体；电子空位是物质在构成各种晶体结构时的自然形成，晶体结构是物质导电的主要因素；电子空位是电子在价和运动时出现的暂时效应，不能以静止的眼光来看待空位，亦不能以静止的眼光来看待物质的导电。
在硅、锗晶体中每个原子与相邻的4个原子共用外层电子组成4个结构元，四周的价和电子以较均匀的速率绕过核心而进进出出，从整体上看，其核外电子层是均匀饱满的，外来电子不易进入，所以它不导电(电阻很大)。
石墨是由碳原子构成，其外层也有4个价电子，但是其晶体的构成是片状石墨晶格结构，每个原子与周围的3 个原子组成3 个结构元，进而结合成平面的蜂窝状结构。而另一价电子则在两平面间作价和运转，其原子的层间间距是平面间距的二倍多，层间价和电子在途时间较长，层间电子在途时，就形成了电子空位，这就使得核外电子层时挤时松，松时外来电子乘虚而入，并在其间换位移动，于是石墨就成了良好的导体。
金刚石也是由碳原子构成，其外层的4 个价电子构成紧凑稳定的金刚石结构，价电子整齐有序地同步快速运行，不能形成电子空位，故而一般不导电。
Ｎ型半导体 半导体一般是由4 价的硅（或者是锗，以下同）为主体材料，它们的晶体结构也和金刚石一样，每个原子由4 个价和运转在空间等距、有序环绕，构成金刚石结构，很纯的单晶硅基本不导电。
在纯硅晶体中加了少量的５价元素后，就形成了Ｎ型半导体。
本来硅晶体的每个原子通过4个结构元相互联接，价和速率相同，规律运转，稳定相安。
而掺杂加入的5价元素，例如磷原子镶嵌在硅晶体中，磷原子占据了晶体中硅原子的一个位置，磷的5个价电子参与硅中的4个价和运转，尚有1个价电子无价和轨道，这多出的一个电子并不是在外老实呆着，而是稍有机会就混杂进入别的价和运转的轨道中，参与价和运转，扰乱了原硅晶体均匀的速率，使得整个晶体中的价和电子的运转出现了拥挤和等待的紊乱现象。
有许多瞬时价和电子因途中紊乱而没有到位，于是晶体中出现了临时性的电子空位(临时性空位在晶体中占有一定概率)，电压波可以乘机传导，电子可以在电压波的引导下乘虚而入，形成电子的定向流动——电流。
这样，掺杂５价元素使得硅晶体的导电能力增加，形成了Ｎ型半导体。
由于Ｎ型半导体是掺杂多电子元素使规律运转的核外电子产生运动不均衡,发生混乱所形成的电子空位，而温度上升能加剧核外电子运动的混乱，所以温升能有效地增加Ｎ型半导体的导电能力，即Ｎ型半导体有较强的热敏性能。
Ｐ型半导体 在硅晶体中加入少量的３价元素后，就形成了Ｐ型半导体。３价元素例如硼，在价和结构中顶替了一个硅原子，因硼外层只有3个价电子，使得与硼相连的4个结构元中有一个是单电子价和运转，形成了电子空位。与这个单电子结构元相连的6个结构元相继有电子进入补充，形成了更多的电子空位，电压波乘机在电子空位间传导，引导电子乘虚而入、换位移动形成电流。这样，掺杂３价元素使得硅晶体的导电能力较大地增加，形成了Ｐ型半导体。
与单电子结构元相连的6个结构元的外端又连着18个结构元相继有电子进入补充，这样电子空位呈２×３ｎ扩展，也就有更多的结构元有可能呈现电子空位。于是，该晶体的导电能力也呈几何级数增加，所以Ｐ型半导体的导电能力较好。电子空位扩展之后空位出现的时间越来越短，也就不成其为空位了。
在掺杂比例相等的情况下，Ｐ型半导体的导电能力比Ｎ型半导体要大上千倍，其实质原因就在于此，所以同时使用的半导体中，Ｎ型半导体的掺杂量要大。
Ｐ型半导体的电子空位是掺杂物直接带来的，不像Ｎ型半导体是由掺杂物造成混乱所形成的，所以Ｐ型半导体的热敏性能没有Ｎ型半导体那么明显。
有些半导体物质还具有光敏特性，光照能使某些半导体物质的导电能力大增。这是因为一定频率的光波与半导体物质中的部分核外电子运转所伴生的电磁波发生干涉，改变了与入射光相对应的这部分价和电子的速率，于是造成了核外电子运动的混乱，形成了很多的电子空位，极大地提高了该半导体材料的导电性能。这样，就形成了半导体的光敏特性，这种半导体被称为光敏半导体。
以上论述说明，不管是Ｎ型还是Ｐ型半导体，其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是由晶体中杂质分布引起价和电子紊乱运行所致，所出现的电子空位是瞬时的、随机的。这也导致了半导体的“测不准”及温升、热敏、光敏等诸多物理性质。
晶体管的ＰＮ结的实质是疏通或堵塞电子空位。
二极管
把N 型和P 型半导体材料紧密结合起来，两端连上导线，就形成了半导体二极管。二极管关键的部位在两种材料的结合处，人们称之为P N 结。
由于N 型半导体是5 价的磷镶嵌在硅晶体中，磷在以4 价为主体的硅结构元的连接中，有多出的电子。而在P 型半导体中是3 价的硼在以硅为主体的结构元连接中，顶替了一个硅原子的位置，在整体上则缺少电子。
把这两种晶体紧密结合：N 型半导体中多出的电子向缺少电子的P 型半导体中扩散。这样，在结合部附近，N 型半导体中多出的电子正好填补了P 型半导体中的空缺。在极薄的结合区域，各结构元的价和电子数正好达到纯硅状态的平衡，减少了电子运转的紊乱和等待，电子空位也大为减少。这就是在不导电时的P N 结。（图6-1中，中间虚线框内表示ＰＮ结，框左边表示多出电子的Ｎ区，框右边表示缺少电子的Ｐ区）
P N结是N区电子向Ｐ区自然扩散而成，因为物质的每个电子都有原来的归属，这样的扩散不可能太远，也不稳定。所以P N结很薄，也不很稳定。存在着较少的临时电子空位，电压波还是能在其间传导。在二极管中，ＰＮ结的电阻最大，Ｐ区电阻最小，Ｎ区电阻在二者之间。
如果在二极管加上反向直流电压（使电子由P流向N的电压），在电压的驱使下电子由P 极进入，经过电子空位，到了P N 结处。因为Ｐ区电阻最小，电子流量较大、流速较快，大量电子到达P N 结处，电阻变大、运动受阻，电子就在P N 结前聚积，把Ｐ区缺电子的价和线路都填满，使更多的结构元达到价和运转的平衡，即填满了更多的电子空位，使无电子空位的地带变得更宽，ＰＮ结变得更宽、电阻更大，大到连电压波也不能到通。所以从P 极进入的电子填平了电子空位，没有了电子空位,所以此路不通。
在二极管上加上正向直流电压，（使电子由N流向P的电压），在电压的驱使下，因为Ｐ区的电阻最小，ＰＮ结中的电子迅速地流向Ｐ区，打破了P N 的平衡，使得ＰＮ结中缺少电子，形成一个新的Ｐ区。（实际上这时P N 结已不存在，已经形成了新的Ｐ型半导体）
在电压的驱使下，电子进入到由价和电子运转紊乱所形成的电子空位的N 区，外电子的到来，更加剧了N 区价和电子运动的紊乱，使Ｎ区的导电能力增加，多出的电子涌向P N 结，通过了P N 结涌向P 区的电子空位，因为Ｐ区的电阻最小，电子在Ｐ区流动最快，不会形成淤积、堵塞，所以形成了通畅的电流。
综上所述，电子由P 区向N 行不通，而由N 向P 则势如破竹，这样，就形成了二极管的单向导电性能，所以二极管可以用来整流、检波（截断反向电流）还可以利用二极管反向电阻大，在电路中起隔离作用。
晶体管
晶体管的全称是晶体三极管，它是由两个P N 结所构成的半导体器件。如果两边是P 型晶体，中间夹着N 型晶体，则称之为P N P 型晶体管。如果中间是P 型晶体，则称做N P N 型晶体管。
晶体管的中间部分叫做基区，由此引出基极，两头分别为集电极和发射极。
晶体管基区做得很薄，非4 价元素掺和得较少，故电子空位较少。而发射区掺和的非4 价元素比基区多得多，在正常使用情况下，发射区单位体积的电子空位是基区的100 倍以上。
N 型与P 型材料的结合部位，多出电子的N 区向缺少电子的P 区局部扩散，形成了两个P N 结。
这样的工艺制作，使得晶体管中电子空位的分布十分巧妙。在没有导通电流时电子空位的分布：两个P N 结处空位最少（电阻最大），其次是基区，空位最多（电阻最小）的是发射区，尤其是P N P 型晶体管，发射区的电阻最小。
值得关注的是，随着电流的导通，电子的运动对电子空位的疏导或阻塞，使得各处的电阻发生变化，演绎出晶体管的许多特殊的性能。
如果基极不接通电流，那么从集电极到发射极之间的电流在P N 结的阻挡下，电阻很大，电流趋近于零。没有基极电流，三极管基本不能导通电流。
在P N P 型晶体管中（如图6-2左），电子由中部的基极进入，在电压的作用下流向右边的发射极，其原理与二极管相同，即由N 向P，在多出的电子的紊乱的运动中形成电子空位，形成外来电子的通路，形成基极电流。
与此同时，由于P 区的电子空位的密度是N 区的上百倍，且N 区做得很薄，这基极电流随即扰乱了上游的P N 结（即由集电极与基极之间的P N 结），使这个P N 结的电子在基极电流的带动下顺势流动，于是这上游的P N 结又形成了电子空位，形成了电流的通路。
由于发射区电子空位密度是基区的上百倍，绝大部分电子由此通过，所以其电流比基极电流大得多，而且是随基极电流成比例增大。这样，在基极输入一个微小的电流，整个晶体管中就会相应形成几十倍、上百倍的大电流，于是就形成了晶体管的放大效应。
N P N 型晶体管的导电，是电子首先由集电极N 区进入，由基极P区流出，情同二极管。由于中间P 区很薄，基极的电子流出，扯动了下游P N 结的电子，使下游N 区少量电子也向P 区移动，造成了P N 结地带的电子运动紊乱，下游的P N 结基本消失，从集电极来的电子趁紊乱所形成的电子空位进入发射区，由于发射区电子空位多，电子运动通畅，形成了主电流。根据工艺配方的不同，主电流一般要比基极电流大几十倍乃至一百多倍。同时不同的工艺配方，也决定了晶体管的放大倍数及其他各项性能参数。
而在半导体中，电子空位是由于价和电子速率紊乱所致，温度升高电子速率增加，也就加剧了半导体内价和电子运行的紊乱程度，因而使得电子空位增加，导电能力增加。
半导体特性
半导体电阻 在半导体中，电子空位是由于价和电子速率紊乱所致，温度升高电子速率增加，也就加剧了半导体内价和电子运行的紊乱程度，因而使得电子空位增加，导电能力增加。半导体材料在受到一定频率的光的照射时核外电子速率也会增加，导电能力也能增加。
外电子趁半导体内的紊乱进入其间，换位流动，“挤”出一条通路。当电流过大时，价和电子紊乱加剧，核心则有失掉电子的危机，于是核心升温，增加对电子的控制(这就形成了半导体导电的升温现象)。在高温时，有少数电子被吸引到核心周围脱离价和运转，这时４价的原子只有３个电子参与价和运转，这就像在硅晶体中增加了３价的硼原子一样，使得半导体内电子空位大增，导电率也随之增加。
现在有文献说：在纯硅晶体中掺杂了５价元素之后，多出的电子没有归属，就形成了自由电子，于是导电能力增加。这是值得商榷的。
因为，其一，掺杂了５价元素的Ｎ型半导体只是导致了价和运行的紊乱，使导电能力略有增加，并没有像金属那样有良好的导电能力。其二，Ｎ型半导体的导电能力是随温度的增加而增加，这一点正好与金属相反。其三，如果多出的电子是完全自由的自由电子，那在晶体管中Ｎ区的自由电子就会向Ｐ区无限制地填充，直到把Ｐ区填满。
然而事实是Ｎ区的电子向Ｐ区的扩散非常有限，ＰＮ结只有十来个原子的厚度。因为材料中每个电子都是从属于一二个核心，都有本来的归属，ＰＮ结中形成的扩散不仅有限，而且也不固定，存在着电子的轮换，正因为ＰＮ结是动态的，所以ＰＮ结内还是有少量的电子空位，其导电能力要好于纯的硅晶体。存在上述三项理由，掺杂产生自由电子之说是不能成立的。
有的文献中说：在纯硅晶体中加了３价元素后，缺少的电子形成了空穴，空穴像电子一样也是一种载流子。这也是值得商榷的：电流是在电压波作用下电子的定向运动。在电压波作用下空穴如何定向运动，电压如何指令空穴运动？
空穴只是构成电压波传导通路、提供电子通行的电子空位。把这种能使电子运行的通路说成是载流子，给人的感觉就好像是把公路说成是汽车。
压电性 当半导体受到外加应力的作用时电阻也会发生变化，这种现象叫做半导体的压阻效应。这是因为在外加作用下某些结构元会受到压缩或拉伸，价和电子的速率会相应发生变化，导致电子空位的形成和变化，故而电阻也发生了变化。
除了半导体外，有些化合物晶体（石英、钛酸铅等）在受到外力的挤压或拉伸时，晶体的对应表面分别产生正、负电荷。绝缘体在受力后产生了电荷，奇怪！
这是因为这些晶体在外加作用下某些结构元会受到压缩或拉伸，价和电子的速率会相应发生变化，形成了价电子速率的紊乱。又因为这些是极性化合物晶体，价电子多的一方（硅—硅结构元）速率相对稳定，外力使价电子少的一方速率变化大（如石英中的硅—氧结构元），甚至有少数结构元解体，多出的电子被挤向一边。于是有少数晶体一边稳定，另一边缺少电子，形成了一个分子二极管。多出的电子在二极管中定向移动到物体的边缘。这样，晶体的一边表面就带了负电荷，另一边就带了正电荷。
人们对压电材料的感兴趣的是其逆压电效应，又称电致伸缩：即把压电晶体镀上电极，通电后能产生频率高度稳定的正弦振荡。这频率高度稳定的振荡，广泛地使用在现代的钟表、计数、超声波、电子音频等领域。
通电产生极高的稳定频率，是压电效应的逆过程：外电子从价电子少的一方（速率可改变性大，如石英中的硅—氧结构元）进入，等到速率稳定的3个（可能是3n个）硅—硅结构元的价电子绕过后的间隙外电子才能通过，一次通过形成一次振荡。因为硅—硅结构元的价电子的速率非常稳定，所以也就形成了这频率高度稳定的振荡。
这是大自然在告诉人们，物质的核外电子的运动是极有规律、高度稳定的。今后人们可以根据大自然的这些提示，去探索核外电子的速率。
热电性 以上我们讨论了物体的导电性能，在上一讲我们谈到了物体的传热，这样我们就可以合起来来讨论物体的热电性能了。我们已经知道了物体的热就是核外电子的速率的宏观表象，电也是电子的运动，所以热电可以互相影响互相转换亦在情理之中，如：
（1）塞贝克效应。把两种不同的导体组成一个闭合的回路，若在两接头处存在温差，则回路中将产生电动势及电流。
（2）玻尔帖效应。 当电流通过两种不同的导体组成的回路，在两接头处分别出现吸热和放热现象。这种现象称为玻尔帖效应，是塞贝克效应的逆效应。也称为第二热电效应。
超导
超导现象 1911年荷兰著名物理学家卡梅林·昂内斯首次将氮液化，获得了4.6K（-268.4℃）的低温，一个奇妙的现象发生了！当昂内斯将金属汞置于低温液氮中，发现汞的电阻急剧下降，直至消失，电阻为零！这在当时简直是不可思议。
我们知道，自从人类发明了电，伴生的电阻就损耗了大量的电能，科学家们就一直在努力找寻电阻最低的材料，幻想着能够出现电阻为零的导电物质，这一天，幻想成了事实，奇迹真的出现了，于是科学界为之激动，开始了向低温世界的大举进军。在各国科学家的努力之下，现已发现了几百种金属、合金、化合物在低温条件下出现这种电阻几乎为零的导电特性，人们称这种现象为超导现象。
超导现象总是在温度很低的条件下发生，人们把超导体发生超导现象时的温度称做临界温度。人为地制作低温是很麻烦的，显然，临界温度越高超导材料的应用就越方便，越有应用价值，于是世界各国的科研大军又致力于研制高临界温度的超导材料。目前我国的实用超导材料的临界温度已达到-190℃，超导材料开始进入实用阶段。
超导原理 为什么这些金属或化合物在低温条件下会出现非凡的超导性能，各国的科学家都想揭开这个电阻为零的超导之谜，各种学说应运而生：有的说在产生了电子隧道；有的说是在低温条件下原子被冻僵了，还有的提出电子唯象理论（建立在假定之上的理论），假定在低温条件下两个电子结成了库伯对……但是隧道怎样产生，原子如何冻僵？难有交代。
超导的发生是核外电子运动所引起的物质特性明显的变化：在很低的温度下，物体的所有的电子速率降低，价电子运转在固定的平面上，运转速率也很低。达到临界温度，价和电子运转更加缓慢。
核心习惯于常温下的核外电子快速运转，价和电子运转缓慢，造成了较大的空位，造成了原子暂时缺失核外电子的现象。核心就挪用相邻核心的外电子，相邻核心又挪用，所有的核心都向某一方向近邻挪用，于是就形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。
核心把公用的电子流当成自己所需求的核外电子，用核心的库仑力（原子核吸引核外电子使电子绕核运转的力）去输运它，让其在自己身边流过。这样，公用电子虽然没有绕核运转，但每一瞬时从核心身边流经的电子较多，部分地满足核心对电子的需求。
超导体通电后，在电压波的作用下，使超导体处于公用的状态的核外层电子顺势移动，形成了核外层电子公用的电子流——超导电流。核心把外来（公用）的电子流当成自己所需求的电子一部分，用核心的库仑力去顺势输运它，让其在自己身边流过，于是超导电流不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。在顺序排列的原子核库仑力的接力输送下，电子直接在其间畅通无阻，形成了电阻为零的超导现象。
1914年，昂内斯设计了一个巧妙的实验，他用铅做成一个线圈，置于外磁场，然后降低温度。当铅进入超导态后撤除磁场，在这个闭合线圈中形成感生电流。电子在线圈中永恒运转，感生电流没有任何衰减，于是断定超导现象的电阻为零。这是由于进入超导态后，公用的电子在磁场撤除时受到磁感应作用，形成了定向的流动——感生电流，公用电子得到了核心的输运力，在库仑力的接力输送下，电流不会有任何衰减，于是形成电阻为零的超导。
正因为超导电流获得了核心的输运力，所以它能像常态的核外电子那样永恒不断地运动，流速均衡、电阻为零，保持永恒的电流。
尽管库伯对理论获得了诺贝尔奖，但它仍然是一个唯象理论，首先，两个电子如何能紧密结成对？这直接违背同性相斥的自然原理。其次，超导体的电流走的不是匀速直线，必定会有能量损失，损失的能量由哪里补充？所谓理论连核心的输运力都没有想到、没有提到，说的再复杂，再冠冕堂皇,不符合自然能量守恒法则肯定不是事实。
超导发生是大量的电子群集流动。大量电子的定向运动，伴生着很强的电磁波，伴生着极强的磁场。
物质的超导特性与温度密切相关，而且极具规律。再一次为核外电子的运转线路、速率决定物质的各种特性；电子运动的线路、速率的变化改变物质特性的论点提供了有力的例证。
超导的抗磁性 超导时大量电子在物体内均衡畅通地在核心边流动，成了核外电子的组成部分，大量电子的定向流动伴生着很强的磁场。外磁场会干扰电子的定向运动，所以伴生的磁场必须把外磁场抵制在外，于是就形成了很强的抗磁性。
实验表明，金属物体（第一类超导体）在超导时，外磁场从超导体内完全排出，表现出很强的抗磁性，又称迈斯纳效应。若外磁场太强，干扰电子不能形成整齐的定向运动，即使到了临界低温，超导也不能发生。这种情况正好印证以上讲的电—磁伴生现象。
同样，内磁场强的物体也难以发生超导，铁磁性或反铁磁性金属因其内部结构元的排列使得部分价磁力叠加，内磁场较强，阻止电子直线定向流动，因而不具有超导性能。而且磁性物质的微粒——杂质也会阻断核外电子共用，影响超导发生。
第二类超导体
大自然往往是戏剧性地展示其风采，近些年发现的超导材料并不是传统上被认为是良导体的金属及其合金，而是在常态下导电性能很差的氧化物体系的陶瓷，这就是所谓第二类超导体。此类超导是因多元素化合后，在低温条件价电子速率不尽相同，造成了较大的电子空位，所以这类超导体的临界温度较高，超导电流也较大。因化合体是由许多元素的结构元结合而成，电子空位只占其一隅（整体上是一条细缝），第二类超导体的超导电流伴生的磁力线不是很密，外磁场还是能从其他元素间穿过，所以迈斯纳效应不是十分明显，但是允许通过的外磁性不能太强，否则也会阻断超导。
元素的价电子数为３、５、７时，价电子不能均布在原子表面，于是形成了价和运转绕核心的环绕角不均匀，间隙也不均等，低温条件下核心对外层电子管束不力，首先在间隙大的部位形成电子空位，所以价电子数为３、５、７的元素，在常温下通常是绝缘体，在低温下却较易形成超导。
当原子质量较大，核外电子数多，层数也多，核心对外层电子管束不力，超导电子空位容易产生，所以较易形成超导，而且临界温度较高。
一些绝缘体，在低温条件下价和电子降低速率，形成了电子空位，形成了外电子公用，形成了性能良好的超导体，再一次为电子空位导电提供了例证，大自然用超导现象向人们展示着核心与核外电子间的依存关系，述说着核外电子运动的规律性。
由于超导时外来电子是核心边轻轻滑过，而且还得到了核心的输运，所以外来电子必须整齐有序、顺畅平顺。电子的流量（电流）一不能过大、二不能冲击、三不能紊乱。
因材料在超导时必须是在低温条件下，核心对外电子层的控制能力很弱，价和电子速率不高，物体的价和力、价磁力都很小。故而推断材料此时脆性大、强度低。
超导现象的特征一是在低温条件下价和电子降低速率，形成了外电子公用；二是超导时电子的流动不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。背离了这两大特征，超导就无从谈起。
超导的抗磁性（迈斯纳效应）再一次为电子的运动伴生着磁场提供了例证。超导现象是大自然向人们展示在低温条件下的核外电子运动的新规律。
超流也是极低温下物质表现出的有趣现象，因为超流是液态氦的奇特表现，所以放在下一章相变原理之后讲述。
