关于半导体的工作原理。
固体按照导电性能可以分三种：导体，绝缘体和半导体。导体和绝缘体在日常生活中很常见，半导体在电子元器件方面举足轻重。他们的区别在哪里？我们知道物质能不能导电取决于其中的导电介质能否自由移动，而这取决于物质的原子之间的结合方式。一般原子最外层的电子决定了原子间的组合方式。
能量带理论可以解释三种不同导电介质的差异。能量带理论表示，自由电子由于不受原子核的束缚，能量很高，它所处的能量范围叫做导带(Conduction Band)；最外层电子被束缚在原子核或者分子周围，能量相较于自由电子更低，它所处的能量范围叫做价带(Valence Band)。如果最外层电子要成为自由电子，需要给它加点能量。下面的图表示了三种物质的导带和价带的分布。
可以看到导体的导带和价带几乎重合，所以最外层电子就是自由电子；绝缘体的两带之间的间隙较大，需要很高的能量才能激发最外层电子，脱离原子核或分子的束缚成为自由电子；半导体的价带和导带之间的间隙较小，在一定的温度下，价电子就能激发成为自由电子。不过半导体内自由电子数一般少于导体，因此它的导电性能介于导体和绝缘体之间。
至于三种固体的导带和价带之间为什么是这样的分布关系，主要原因在于固体内部原子之间的结合方式以及结合紧密程度不同。金属导体靠金属键连接原子，半导体和绝缘体的原子一般通过共价键连接彼此。
如之前所说，半导体的价带和导带的间隙并不大，价电子很容易被激发成为自由电子。实际上在室温下，就有一部分电子被激发，半导体已经具有一定的导电能力。半导体的这种能带分布特点来源于其特殊的晶体结构。人们发现，最外层有四个价电子的一族元素(C, Si, Ge等)能形成如下的晶体结构，这种结构赋予半导体特殊的导电特性(C除外，金刚石的价带和导带的能量差较大)。
拿硅元素来说，它的原子最外层有4个电子，叫做价电子。我们知道一个电子层需要凑够8个电子(最内层2个)才能形成稳定的结构，所以这4个电子要和周围的4个硅原子的4个价电子共享，形成4个共价键，将硅原子连接起来，形成晶体结构。
可能你会想，半导体导电不如导体，说绝缘呢又不行，啥也不是。这个半吊子有啥用？纯的半导体确实不好用，不过正是因为它中庸的特性，使得人们对它的改造成为了可能。
先来看硅晶体的原子间结构。如果表示在平面上，可以看到硅原子的4个价电子会和相邻的硅原子的价电子配对，形成4个共价键。这四个共价键相对稳定，但是施加一定的能量也能让一些价电子激发成为自由电子。电子被击发后，在电子原来所处的位置上形成一个正电荷，称为空穴(Hole)。通常情况下，这种激发比例较小。
为了让半导体有用，人们使用掺杂(Doping)改变半导体的特性。所谓掺杂，就是将杂质物质融入到硅晶结构中，改变晶体结构。有两种常用的掺杂方式: N型掺杂(N-type Doping)和P型掺杂(P-type Doping)。
如果将最外层有5个价电子的元素(比如磷P)混入硅晶中，因为硅原子能和其中的4个电子配对形成4个共价键，剩余的一个电子由于没有配对成为一个自由电子，可以在晶体内部移动。因为这种掺杂使得半导体内部有很多自由移动的电子，所以叫做N型掺杂(Negative)。
如果用最外层有3个价电子的元素(如硼B)混入硅晶中，由于缺少一个电子与硅原子配对，使得一个位置上出现一个电子的“空缺”(硅原子的电子被束缚在硅原子上，无法像磷元素的最外层电子那样容易自由漂移)，形成一个空穴。因为掺杂之后半导体内部出现带很多带正电荷的空穴，所以这种掺杂叫做P型掺杂(Positive)。
这两种掺杂都会提升半导体的导电能力。N型掺杂形成N型半导体，多数载流子是自由电子；P型掺杂形成P型半导体，多数载流子是空穴。
如果我们将P型半导体和N型半导体连接在一起，会产生一个有意思的东西——PN结(PN Junction)。因为N型半导体内充满有带负电荷的自由电子，P型半导体内有带正电荷的空穴，所以在两者接触的区域内，N型半导体内的电子会移动到P型半导体内与空穴结合。但是这种结合是有限度的：随着电子从N到P的迁移，两侧会形成如下图所示的电荷累积，电势方向从右到左，阻止电子的继续迁移。这个区域叫做耗尽层(Depletion Layer)，也叫空间电荷区；累积起来的内电场电压叫做死区电压(Barrier Voltage。对硅来说死区电压一般为0.6~0.7V)。
可能你还是想问，说了这么多到底有什么用？
我们来看将PN结接入电路，会有下面的两种接法。电源正极接P端，负极接N端，称为正向偏置(Forward Biased)；电源负极接P端，正极接N端，称为反向偏置(Reverse Biased)。
正向偏置的PN结，电源负极排斥N型半导体中的电子，驱赶电子往P型半导体中迁移；电源正极接P型半导体，使得P型半导体中的电子被抽走。这样就形成了一个电子推送和抽离的良性循环，电路导通。因为外电场方向和内电场相反，如果外电场电压高于死区电压，电路就能导通。
而反向偏置的PN结，电源正极从N型半导体内吸收电子，但是N型半导体内的电子又不能从P型半导体中得到补充，所以电路无法导通。
可见，PN结实际上是一个单向导通电路！人们将具有这种特性的半导体原件叫做二极管(Diode)。二极管的特性用I-V关系很容易的就展示出来——正向导通，反向截止。
有一类特殊的二极管，在导通的过程中会发出光，这类二极管毫无意外地叫做发光二极管LED(Light Emitting Diode)。原理也很简单，二极管导通的过程中N型半导体中的电子迁移到P型半导体中与空穴结合，结合过程是释放能量的过程(与电子被激发成自由电子需要吸能的过程相反)，释放的能量通过发出光量子形成光。
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