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Quando un campo elettrico viene applicato a un metallo, gli elettroni caricati negativamente vengono accelerati e trasportano la corrente risultante. In un semiconduttore la carica non è trasportata esclusivamente da elettroni. I fori caricati positivamente portano anche la carica. Questi possono essere visti come posti vacanti nella banda di valenza altrimenti riempita, o equivalentemente come particelle caricate positivamente.

Poiché la distribuzione di Fermi-Dirac è una funzione passo a zero assoluto, i semiconduttori puri avranno tutti gli stati nelle bande di valenza riempiti di elettroni e saranno isolanti a zero assoluto. Questo è raffigurato nel diagramma E-k qui sotto; cerchi ombreggiati rappresentano stati di quantità di moto pieni e cerchi vuoti stati di quantità di moto vacanti. In questo diagramma k, piuttosto che k, è stato usato per indicare che il vettore d’onda è in realtà un vettore, cioè un tensore di primo rango, piuttosto che uno scalare.

Se il gap di banda è sufficientemente piccolo e la temperatura viene aumentata dallo zero assoluto, alcuni elettroni possono essere eccitati termicamente nella banda di conduzione, creando una coppia elettrone-foro. Questo è il risultato della sbavatura della distribuzione di Fermi-Dirac a temperatura finita. Un elettrone può anche muoversi nella banda di conduzione dalla banda di valenza se assorbe un fotone che corrisponde alla differenza di energia tra uno stato pieno e uno stato vuoto. Qualsiasi fotone di questo tipo deve avere un’energia maggiore o uguale al band gap tra la banda di valenza e la banda di conduzione, come nel diagramma seguente.

Sia indotto termicamente che fotonicamente, il risultato è un elettrone nella banda di conduzione e uno stato vacante nella banda di valenza.

Se un campo elettrico viene ora applicato al materiale, tutti gli elettroni nel solido sentiranno una forza dal campo elettrico. Tuttavia, poiché non ci sono due elettroni nello stesso identico stato quantico, un elettrone non può ottenere alcun momento dal campo elettrico a meno che non ci sia uno stato di momento vacante adiacente allo stato occupato dall’elettrone. Nello schema sopra, l’elettrone nella banda di conduzione può guadagnare slancio dal campo elettrico, così come un elettrone adiacente allo stato vacante lasciato nella banda di valenza. Nel diagramma qui sotto, entrambi questi elettroni sono mostrati in movimento verso destra.

Il risultato di ciò è che gli elettroni hanno un certo momento netto, e quindi c’è un movimento generale di carica. Questo leggero squilibrio di slancio positivo e negativo può essere visto nel diagramma sottostante e dà origine a una corrente elettrica.

Il sito vacante nella banda di valenza che si è spostato a sinistra può essere visto come una particella che trasporta carica elettrica positiva di uguale grandezza alla carica dell’elettrone. Questo è quindi un buco. Dovrebbe essere apprezzato che questi schemi non rappresentano elettroni ‘saltellando’ da un sito all’altro nello spazio reale, perché gli elettroni non sono localizzati in siti specifici nello spazio. Questi schemi sono nello spazio momentum. Come tali, i fori non dovrebbero essere pensati come muoversi attraverso il semiconduttore come dislocazioni quando i metalli sono deformati plasticamente-è sufficiente vederli semplicemente come particelle che portano carica positiva.

Il processo opposto alla creazione di una coppia elettrone-foro è chiamato ricombinazione. Ciò si verifica quando un elettrone scende in energia dalla banda di conduzione alla banda di valenza. Proprio come la creazione di una coppia elettrone-foro può essere indotta da un fotone, la ricombinazione può produrre un fotone. Questo è il principio alla base dei dispositivi ottici a semiconduttore come i diodi emettitori di luce (LED), in cui i fotoni sono luce di lunghezza d’onda visibile.

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