构成三种材料原子结构不同，决定了他们的导电性不同。

对于绝缘体来说，各电子轨道处于全满状态的稳定状态，很难得失电子，因此电子在原子间难以传递。

对于导体来说，最外层轨道的电子很少，通常只有一两个。最外层的电子在外电场作用下很容易失去，在材料内部形成电流。

而半导体的情况介于两者之间。最外层处于半满状态。

由同一种原子晶体组成的半导体材料称为「本征半导体」（Intrinsic semiconductor），如硅晶体，锗晶体等。

当温度趋于绝对零度时，本征半导体表现出绝缘体的性质。但当温度上升时，在热效应作用下，少量最外层电子成为「自由电子」（Free electron），在原处留下「空穴」（Holes）。空穴和自由电子是一对相对的概念。对于硅原子来说，其最外层有四个电子，若失去一个电子，则其相对于普通的硅原子来说呈正电性，可以认为是这个丢失的电子在原处留下的空穴而“导致”的正电性。因此我们认为，自由电子呈负电性，空穴呈正电性。对于半导体材料来说，这两者都是可以作为电流的载流子。

纯净的半导体中，自由电子和空穴的数量大致相等，且两者数量都非常少，因此本征半导体的导电性非常弱。

为了提高半导体的导电性，可以在纯净的半导体中掺入其他类型的原子，如三价和五价元素，称掺有杂质的本征半导体为「杂质半导体」。根据掺杂的原子不同可以分为「N 型（n-type）半导体」和「P 型（p-type）半导体」。N 型半导体表示掺杂的原子比主要的原子多出一个电子，呈负电性；P 型则表示少一个电子，呈正电性。掺杂可以显著提升半导体材料的导电性（倍以上）

对于 N 型半导体而言，半导体内自由电子较多而空穴较少，因此两种载流子中起主要作用的是自由电子，而对于 P 型半导体，结论相反。

我们称在半导体材料的两种载流子，即空穴和电子之中占大多数，导电中起主要作用的载流子为多数载流子（Majority carrier），或「多子」；与之对应的较少的称为少数载流子（Minority carrier），或「少子」

多子的浓度主要由掺杂浓度决定，受温度的影响较小，而少子浓度主要由温度决定

半导体中的载流子存在两种运动方式

• 载流子在外加电场的作用下的移动叫做「漂移」（Drift）
• 载流子从高浓度区域向低浓度区域的移动叫做「扩散」（Diffusion）

若对 P 型半导体正电压，对 N 型半导体通负电压，则称此 PN 结处于「正偏」（forward-biased）状态。

正偏时，在外加电场作用下，来自 P 处的正电荷中和 PN 结左侧的负电荷，而来自 N 处的负电荷中和 PN 结右侧的正电荷，导致 PN 结变薄，对载流子阻碍作用减小，从宏观上来看，就是此半导体的电阻减小

若对 P 型半导体负电压，对 N 型半导体通正电压，则称此 PN 结处于「反偏」（reverse-biased）状态。

反偏时，在外加电场作用下，来自 P 处的负电荷结合 PN 结左侧的负电荷，而来自 N 处的正电荷结合 PN 结右侧的正电荷，导致 PN 结变厚，对载流子阻碍作用减大，从宏观上来看，就是此半导体的电阻增大，多子无法正常通过，但少部分少子在 PN 结强大的浓度差作用下可以少量通过，形成了极小的电流。此电流被称为「反向饱和电流」（reverse saturation current）或「漏电流」（leakage current）

当反向电压增加到一定程度时，电流会急剧增加。称这个转折点为「击穿电压」（Breakdown voltage）。

二极管的电流随电压呈指数型增加，用公式可以表示为

其中 为反向饱和电流， 为室温下的热电压，通常取

由于 PN 结在正偏和反偏所具有的导电性不同，根据此原理就可以制作正反电阻不同的半导体元件——「二极管」（Diode）。

上图为二极管的电路符号，其中三角形的指向为其正偏方向，从正极指向负极。

上文提到，二极管的特性曲线满足

但注意到， 和 都是温度 的函数，故不同温度下的特性曲线是不同的，温度越高，电阻越小。

其中， 为外加电压， 为内建电压

当对二极管施加反向电压时，随着反向电压增大，反向电流急剧增大的现象称为反向击穿（Reverse breakdown)，可以分为雪崩击穿（Avalanche breakdown)和齐纳击穿（Zener breakdown）两种

前面已经提到，二极管正偏时的特性曲线可以表示为

如下图

由于电压和电流的变化范围相对于直流部分较小，因此在半导体的电流-电压特性曲线上，通常将 Q 点附近的特性曲线视为直线。

根据小信号模型，交流信号通过二极管时，可以视为通过一个电阻，此电阻的电导值为静态工作点附近的曲线斜率

此时称直线的斜率的倒数为动态电阻（Dynamic resistance），与之对应的为静态电阻（Static resistance），即工作点到原点连线的斜率的导数。动态电阻的电导可以表示为

这样一来，半导体元件就可以视为一个简单的电阻

其中， 为之前提到过的热电压，在室温下约为 ，而 为二极管的静态工作点电流，即其直流分量。因此二极管的交流等效电阻取决于静态工作点

注意：为什么要使用电压对电流的导数来定义一个新的动态电阻呢？因为在交流工况下，我们要考察的是变化的电压产生变化的电流，因此只需要用伏安特性曲线的局部来表示交流工况下的电阻，因此对于二极管这种非线性元件，不能简单地使用传统方法计算出的静态电阻，而是必须考察在静态工作点附近的动态电阻，才能更好地衡量交流工况下的电阻。

通过一个简单的二极管，就可以实现最基本的半波整流器。如图

根据二极管的单向导通性：

• 时，二极管截止，，
• 时，二极管导通，$vD=V\gamma ，vO=v_S-V\gamma $

得到输出波形为：

实现全波整流的方法也非常简单，只需要分别用两个二极管将输入电压传递给负载即可。由此原理可以得到中心抽头式（Center-tapped）全波整流器

根据二极管的单向导通性：

• 时，导通，截止，此时
• 时，导通，截止，此时
• 时，D_1,D_2均截止，v_O=0$

对于上文介绍的全波整流器，截止的二极管需要承受 最大反向电压，这样高的电压对于二极管不利，可能会出现击穿现象，因此可以在每条支路多设置一个二极管来分担此反向电压。根据此思路可以得到另外一种全波整流器：「桥式整流器」（bridge rectifier）

相比中心抽头式全波整流器，桥式整流器的最大反向电压为 ，几乎中心抽头式全波整流器的一半。