Στους μεταλλικούς αγωγούς η αγωγιμότητα, δηλαδή η ευκολία στη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος, εξαρτάται από τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων που υπάρχουν στο σώμα.
Ελεύθερα ηλεκτρόνια χαρακτηρίζονται εκείνα που δεν είναι δεσμευμένα από ένα συγκεκριμένο άτομο, αλλά[GLi]κυκλοφορούν ελεύθερα μέσα στο σώμα, οπότε με την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου δημιουργούν με την κίνησή τους το ηλεκτρικό ρεύμα.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δημιουργούν «συρμούς», οι οποίοι περνούν από το κρυσταλλικό πλέγμα των ατόμων που παρουσιάζει μια μόνιμη περιοδική ταλάντωση. Με την αύξηση της θερμοκρασίας του αγωγού αυξάνει το πλάτος της ταλάντωσης των ατόμων, οπότε αυξάνει και η ηλεκτρική αντίσταση του αγωγού. Αντίθετα, στους μονωτές δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και κατά συνέπεια δεν υπάρχουν φορείς για τη μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος.
Τέλος οι ημιαγωγοί περιέχουν μικρό αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων και σε κανονική θερμοκρασία δωματίου παρουσιάζουν αγωγιμότητα 100.000 φορές μικρότερη από τα μέταλλα. Στην περίπτωση όμως των ημιαγωγών η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως συνέπεια την αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας.
Όταν η θερμοκρασία του ημιαγωγού είναι χαμηλή, τα περισσότερα ηλεκτρόνια διατηρούν τη θέση τους στο κρυσταλλικό πλέγμα και παρουσιάζουν χαλαρή σύνδεση με τα άτομα στα οποία ανήκουν.
Σύμφωνα με τη θεωρία των ζωνών ενέργειας στους ημιαγωγούς, διακρίνουμε:
α) Τη ζώνη σθένους, η οποία είναι γεμάτη από ηλεκτρόνια.
β) Την υπερκείμενη επιτρεπόμενη ζώνη, που δεν έχει κανένα ηλεκτρόνιο.
γ) Tην απαγορευμένη ζώνη, που έχει μικρό ενεργειακό πλάτος και καταλαμβάνει το χώρο ανάμεσα στις δύο άλλες ζώνες.
Τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους παίρνουν την απαιτούμενη ενέργεια για τη μεταπήδησή τους στην επιτρεπόμενη ζώνη αγωγιμότητας είτε από την εσωτερική θερμική ενέργεια είτε με επίδραση θερμότητας, πίεσης ή φωτός. Επομένως, με την αύξηση της θερμοκρασίας των ημιαγωγών, τα άτομα απορροφούν ενέργεια, η ταλάντωσή τους γίνεται περισσότερο έντονη και ελευθερώνουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια τα οποία και δεσμεύονται από[GLi]το θετικό πόλο της γεννήτριας. Η μετακίνηση αυτή του ηλεκτρονίου δημιουργεί στο άτομο έναν κενό χώρο, ο οποίος στην περίπτωση των ημιαγωγών λέγεται «οπή».
Η οπή δημιουργείται στη ζώνη σθένους και αντιπροσωπεύει την έλλειψη ενός ηλεκτρονίου, δηλαδή ισοδυναμεί με ένα θετικό στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο.
Με την επίδραση όμως του ηλεκτρικού πεδίου, τη θέση της οπής καταλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο από το γειτονικό άτομο. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται με μεγάλη ταχύτητα, έτσι ώστε ο «συρμός» των ηλεκτρονίων που αποσπώνται να κινείται από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, με αντίθετη φορά προς την κίνηση των διαδοχικά δημιουργούμενων οπών. Η κίνηση των οπών ισοδυναμεί με μεταφορά θετικού ηλεκτρικού φορτίου. Επομένως η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών οφείλεται στους δύο αυτούς μηχανισμούς της κίνησης των ηλεκτρονίων και των οπών. Θεωρητικά και πειραματικά έχει αποδειχτεί ότι η ολική ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (Ιολ), που διαρρέει έναν καθαρό ημιαγωγό, ισούται με το άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων που προκύπτουν από την κίνηση των ηλεκτρονίων της ζώνης αγωγιμότητας και των οπών της ζώνης σθένους, δηλαδή [ Ιολ = Ιe + Io…]
Οι σπουδαιότεροι ημιαγωγοί είναι τα στοιχεία πυρίτιο (Si), γερμάνιο (Ge), σελήνιο (Se) και η χημική ένωση σιδηροπυρίτης (FeS2). Επίσης στην κατηγορία των ημιαγωγών ανήκουν και μερικά οξείδια (MnO, NiΟ κ.ά.) όπως και μερικές θειούχες ενώσεις μετάλλων (PbS, CdS κ.ά.). Αν η αγωγιμότητα των ημιαγωγών οφείλεται σε κίνηση ηλεκτρονίων που δημιουργείται από τις θερμικές ταλαντώσεις των ατόμων, τότε οι ημιαγωγοί λέγονται αυτοτελείς. Συνήθως,[GLi] όμως, στις πρακτικές εφαρμογές, η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού οφείλεται σε νοθεία του κρυσταλλικού του πλέγματος, οπότε έχουμε τους ημιαγωγούς πρόσμειξης. Στους χημικά καθαρούς ημιαγωγούς όσα ηλεκτρόνια αποσπώνται από άτομα, τόσες οπές δημιουργούνται.
Η πρόσμειξη όμως ελάχιστης ποσότητας από άλλο στοιχείο, μπορεί να δημιουργήσει πλεόνασμα ηλεκτρονίων ή πλεόνασμα οπών. Π.χ. το υποξείδιο του χαλκού, αν εμπλουτιστεί με ποσότητα χαλκού, θα παρουσιάσει πλεόνασμα σε ηλεκτρόνια, ενώ αν εμπλουτιστεί με οξυγόνο, θα παρουσιάσει πλεόνασμα οπών. Οι ημιαγωγοί στους οποίους οι βασικοί φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι τα ηλεκτρόνια λέγονται ηλεκτρονικοί ή τύπου n (από το negatif = αρνητικός), ενώ εκείνοι στους οποίους η αγωγιμότητα οφείλεται στην πληθώρα των οπών λέγονται διάτρητοι ή τύπου p (από το positif = θετικός).
Η νόθευση του ημιαγωγού με ορισμένη δόση από το κατάλληλο στοιχείο γίνεται συνήθως με τη μέθοδο της διάχυσης και η επιθυμητή αναλογία είναι από 1014 μέχρι 1017 σε κάθε κυβικό εκατοστό του ημιαγωγού. Η πρόσμειξη των στοιχείων δημιουργεί τους ημιαγωγούς τύπου p ή n ως εξής: α) Τα άτομα του γερμανίου έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στην εσωτερική στιβάδα. Νοθεύουμε[GLi] το κρυσταλλικό πλέγμα με άτομα αρσενικού, που έχουν πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Από τα τέσσερα άτομα γερμανίου, που περιβάλλουν κάθε άτομο αρσενικού, το καθένα δεσμεύει και από ένα ηλεκτρόνιο του τελευταίου. Τελικά το πέμπτο ηλεκτρόνιο του αρσενικού μένει ασύνδετο και εύκολα μετατρέπεται σε ελεύθερο. Το άτομο του αρσενικού λέγεται δότης και ο ημιαγωγός είναι τύπου n. Αν όμως η νοθεία γίνει με άτομο ινδίου που έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους, τότε μένει ένα άτομο γερμανίου, που δε συνδέεται με άλλο. Έτσι ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο του γερμανίου, μπορεί να προστεθεί στο ίνδιο, το οποίο γίνεται αρνητικό ιόν, ενώ το άτομο του γερμανίου παραμένει ως θετικό ιόν (οπή). Το άτομο του ίνδιου λέγεται δέκτης και ο ημιαγωγός είναι τύπου p.
Χαρακτηριστικό γνώρισμα των ημιαγωγών είναι ότι υπάρχουν όχι μόνο στην κρυσταλλική, αλλά και σε υγρή και υαλώδη μορφή.
Εφαρμογές.
Η απλούστερη εφαρμογή των ημιαγωγών είναι η κρυσταλλοδίοδος, η οποία είναι ένωση τύπου p και n ημιαγωγών και χρησιμοποιείται στην κατασκευή ανορθωτών για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Επίσης τα τρανζίστορ λειτουργούν με ημιαγωγό πυριτίου, γερμανίου κτλ. που παίρνουν τη θέση των ηλεκτρικών λυχνιών.
Οι πομποί και οι δέκτες με ημιαγωγούς καταλαμβάνουν ελάχιστο χώρο και παρουσιάζουν μεγάλη στερεότητα, οπότε είναι[GLi]κατάλληλοι για χρήση σε δορυφόρους και διαστημόπλοια.
Η κατασκευή των πολύπλοκων ηλεκτρονικών υπολογιστών έγινε δυνατή μετά την ανακάλυψη των ημιαγωγών, οι οποίοι, σε σχέση με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, διαδραματίζουν σπουδαιότατο ρόλο στους υπολογισμούς. Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες με ημιαγωγό χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της άχρηστης θερμότητας των καύσεων σε ηλεκτρική ενέργεια.
Στην ιατρική, ζεύγη ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ως μικρά ψυγεία χωρίς κινητήρα και γεννήτρια για τη δημιουργία τεχνητού τοπικού ψύχους. Φωτοστοιχεία με ημιαγωγούς χρησιμοποιούνται για την ανάλυση του αίματος και τον προσδιορισμό των ερυθρών αιμοσφαιρίων.
Οι ημιαγωγοί έκαναν δυνατή την κατασκευή της συσκευής που χρησιμοποιούν οι τυφλοί για να διαβάζουν και η οποία μετατρέπει τις χρωματικές διαφορές των γραμμάτων σε ηλεκτρικά σήματα.
Οι φωτοδίοδοι και οι φωτοαντιστάσεις με τις άπειρες τεχνολογικές εφαρμογές κατασκευάζονται με ημιαγωγούς, ενώ το φαινόμενο της ηλεκτροφωτοανταύγειας δημιουργεί πηγές με μεγάλη επιφάνεια χωρίς ενοχλητική λαμπρότητα.
Οι ημιαγωγοί επίσης χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές πυρηνικής ακτινοβολίας και με υγρή μορφή ως καταλύτες για την υποβοήθηση των χημικών αντιδράσεων.
