Ein Halbleitermaterial hat einen elektrischen Leitfähigkeitswert, der zwischen dem eines Leiters wie Kupfer, Gold usw. und eines Isolators wie Glas liegt. Ihr Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab, ein Verhalten, das dem eines Metalls entgegengesetzt ist. Ihre Leitungseigenschaften können durch gezieltes, kontrolliertes Einbringen von Verunreinigungen („Dotieren“) in die Kristallstruktur auf nützliche Weise verändert werden. Wo zwei unterschiedlich dotierte Bereiche in demselben Kristall existieren, wird ein Halbleiterübergang erzeugt. Das Verhalten von Ladungsträgern, die Elektronen, Ionen und Elektronenlöcher an diesen Übergängen enthalten, ist die Grundlage von Dioden, Transistoren und aller modernen Elektronik.

Halbleitervorrichtungen können eine Reihe von nützlichen Eigenschaften aufweisen, wie z. B. das leichtere Leiten von Strom in einer Richtung als die andere, das Zeigen eines variablen Widerstands und die Empfindlichkeit gegenüber Licht oder Wärme. Da die elektrischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials durch Dotieren oder durch Anlegen von elektrischen Feldern oder Licht modifiziert werden können, können aus Halbleitern hergestellte Bauelemente zur Verstärkung, Schaltung und Energiewandlung verwendet werden.

Die Leitfähigkeit von Silizium wird durch Zugabe einer kleinen Menge fünfwertiger (Antimon, Phosphor oder Arsen) oder dreiwertiger (Bor, Gallium, Indium) Atome (Teil von 108) erhöht. Dieser Prozess ist als Dotierung bekannt und resultierende Halbleiter sind als dotierte oder extrinsische Halbleiter bekannt.

Das moderne Verständnis der Eigenschaften eines Halbleiters beruht auf der Quantenphysik, um die Bewegung von Ladungsträgern in einem Kristallgitter zu erklären. Durch Dotierung wird die Anzahl der Ladungsträger im Kristall stark erhöht. Wenn ein dotierter Halbleiter hauptsächlich freie Löcher enthält, wird er „p-Typ“ genannt, und wenn er größtenteils freie Elektronen enthält, ist er als „n-Typ“ bekannt. Die Halbleitermaterialien, die in elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, sind unter genauen Bedingungen dotiert, um die Konzentration und Bereiche von p- und n-Dotierstoffen zu steuern. Ein einzelner Halbleiterkristall kann viele p- und n-Bereiche aufweisen; Die p-n-Übergänge zwischen diesen Regionen sind für das nützliche elektronische Verhalten verantwortlich.

Obwohl einige reine Elemente und viele Verbindungen Halbleitereigenschaften aufweisen, sind Silizium, [besser Quelle benötigt] Germanium und Galliumverbindungen die am häufigsten verwendeten elektronischen Bauelemente. Elemente in der Nähe der sogenannten „Metalloid-Treppe“, wo sich die Metalloide auf dem Periodensystem befinden, werden normalerweise als Halbleiter verwendet.

Einige der Eigenschaften von Halbleitermaterialien wurden Mitte des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts beobachtet. Die erste praktische Anwendung von Halbleitern in der Elektronik war die 1904 Entwicklung des Katzen-Whisker-Detektors, einer primitiven Halbleiterdiode, die in frühen Radioempfängern weit verbreitet ist. Entwicklungen in der Quantenphysik ermöglichten wiederum die Entwicklung des Transistors im Jahr 1947 und des integrierten Schaltkreises im Jahr 1958.

Eigenschaften

Variable Leitfähigkeit
Halbleiter in ihrem natürlichen Zustand sind schlechte Leiter, weil ein Strom den Fluss von Elektronen erfordert und Halbleiter ihre Valenzbänder gefüllt haben, die den Eintritt von neuen Elektronen verhindern. Es gibt mehrere entwickelte Techniken, die halbleitenden Materialien erlauben, sich wie leitende Materialien wie Dotieren oder Gating zu verhalten. Diese Modifikationen haben zwei Ergebnisse: N-Typ und P-Typ. Diese beziehen sich auf den Überschuss bzw. den Mangel an Elektronen. Eine unsymmetrische Anzahl von Elektronen würde dazu führen, dass ein Strom durch das Material fließt.

Heterojunctions
Heterojunctions treten auf, wenn zwei unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien miteinander verbunden werden. Zum Beispiel könnte eine Konfiguration aus p-dotiertem und n-dotiertem Germanium bestehen. Dies führt zu einem Austausch von Elektronen und Löchern zwischen den unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien. Das n-dotierte Germanium würde einen Überschuss an Elektronen aufweisen, und das p-dotierte Germanium würde einen Überschuss an Löchern aufweisen. Die Übertragung erfolgt bis zum Erreichen des Gleichgewichts durch einen als Rekombination bezeichneten Prozess, bei dem die migrierenden Elektronen vom n-Typ mit den Wanderungslöchern vom p-Typ in Kontakt kommen. Ein Produkt dieses Prozesses sind geladene Ionen, die zu einem elektrischen Feld führen.

Aufgeregte Elektronen
Ein Unterschied des elektrischen Potentials an einem halbleitenden Material würde bewirken, dass es ein thermisches Gleichgewicht verlässt und eine Nicht-Gleichgewichtssituation erzeugt. Dies führt Elektronen und Löcher in das System ein, die über einen Prozess interagieren, der ambipolare Diffusion genannt wird. Wenn das thermische Gleichgewicht in einem halbleitenden Material gestört ist, ändert sich die Anzahl der Löcher und Elektronen. Solche Störungen können als Folge einer Temperaturdifferenz oder Photonen auftreten, die in das System eindringen und Elektronen und Löcher erzeugen können. Der Prozess, der Elektronen und Löcher erzeugt und vernichtet, nennt man Erzeugung und Rekombination.

Lichtemission
In bestimmten Halbleitern können sich angeregte Elektronen entspannen, indem sie Licht emittieren, anstatt Wärme zu erzeugen. Diese Halbleiter werden bei der Konstruktion von Leuchtdioden und fluoreszierenden Quantenpunkten verwendet.

Thermische Energieumwandlung
Halbleiter haben große thermoelektrische Leistungsfaktoren, die sie in thermoelektrischen Generatoren nützlich machen, sowie hohe thermoelektrische Gütezahlen, die sie in thermoelektrischen Kühlern nützlich machen.

Materialien
Eine große Anzahl von Elementen und Verbindungen haben halbleitende Eigenschaften, einschließlich:

Bestimmte reine Elemente finden sich in Gruppe 14 des Periodensystems; Die kommerziell wichtigsten dieser Elemente sind Silizium und Germanium. Silizium und Germanium werden hier effektiv genutzt, weil sie in ihrer äußersten Hülle 4 Valenzelektronen haben, die ihnen die Möglichkeit geben, gleichzeitig Elektronen zu gewinnen oder zu verlieren.
Binäre Verbindungen, insbesondere zwischen Elementen der Gruppen 13 und 15, wie Galliumarsenid, Gruppen 12 und 16, Gruppen 14 und 16 und zwischen verschiedenen Elementen der Gruppe 14, z. B. Siliciumcarbid.
Bestimmte ternäre Verbindungen, Oxide und Legierungen.
Organische Halbleiter, hergestellt aus organischen Verbindungen.

Die gebräuchlichsten halbleitenden Materialien sind kristalline Feststoffe, aber auch amorphe und flüssige Halbleiter sind bekannt. Diese umfassen hydriertes amorphes Silicium und Mischungen von Arsen, Selen und Tellur in verschiedenen Anteilen. Diese Verbindungen teilen mit besser bekannten Halbleitern die Eigenschaften der Zwischenleitfähigkeit und eine schnelle Änderung der Leitfähigkeit mit der Temperatur sowie gelegentlich einen negativen Widerstand. Solchen ungeordneten Materialien fehlt die starre kristalline Struktur von herkömmlichen Halbleitern wie Silizium. Sie werden im Allgemeinen in Dünnfilmstrukturen verwendet, die kein Material mit höherer elektronischer Qualität erfordern, und die relativ unempfindlich gegenüber Verunreinigungen und Strahlungsschäden sind.

Vorbereitung von Halbleitermaterialien
Fast die gesamte heutige elektronische Technologie umfasst die Verwendung von Halbleitern, wobei der wichtigste Aspekt die integrierte Schaltung (IC) ist, die in Laptops, Scannern, Mobiltelefonen usw. zu finden ist. Halbleiter für ICs sind Massenprodukte. Um ein ideales halbleitendes Material zu schaffen, ist chemische Reinheit von höchster Bedeutung. Jede kleine Unvollkommenheit kann eine drastische Auswirkung darauf haben, wie sich das Halbleitermaterial aufgrund des Maßstabs verhält, bei dem die Materialien verwendet werden.

Ein hoher Grad an kristalliner Perfektion ist auch erforderlich, da Fehler in der Kristallstruktur (wie Versetzungen, Zwillinge und Stapelfehler) die Halbleitereigenschaften des Materials stören. Kristalline Fehler sind eine Hauptursache für defekte Halbleiterbauelemente. Je größer der Kristall ist, desto schwieriger ist es, die notwendige Perfektion zu erreichen. Gegenwärtige Massenproduktionsprozesse verwenden Kristallblöcke mit einem Durchmesser zwischen 100 und 300 mm (3,9 und 11,8 Zoll), die als Zylinder wachsen gelassen und in Scheiben geschnitten werden.

Es gibt eine Kombination von Prozessen, die verwendet wird, um halbleitende Materialien für ICs vorzubereiten. Ein Prozess wird thermische Oxidation genannt, die auf der Oberfläche des Siliziums Siliziumdioxid bildet. Dies wird als Gate-Isolator und Feldoxid verwendet. Andere Prozesse werden Photomasken und Photolithographie genannt. Dieser Prozess erzeugt die Muster auf der Schaltung in der integrierten Schaltung. Ultraviolettes Licht wird zusammen mit einer Photoresistschicht verwendet, um eine chemische Veränderung zu erzeugen, die die Muster für die Schaltung erzeugt.

Ätzen ist der nächste Prozess, der benötigt wird. Der Teil des Siliziums, der nicht von der Photoresistschicht aus dem vorhergehenden Schritt bedeckt war, kann nun geätzt werden. Der Hauptprozess, der heute typischerweise verwendet wird, wird als Plasmaätzen bezeichnet. Das Plasmaätzen beinhaltet üblicherweise ein Ätzgas, das in eine Niederdruckkammer gepumpt wird, um ein Plasma zu erzeugen. Ein übliches Ätzgas ist Chlorfluorkohlenstoff oder besser bekannt als Freon. Eine hohe Hochfrequenzspannung zwischen der Kathode und der Anode erzeugt das Plasma in der Kammer. Der Siliziumwafer befindet sich an der Kathode, wodurch er von den positiv geladenen Ionen, die aus dem Plasma freigesetzt werden, getroffen wird. Das Endergebnis ist Silizium, das anisotrop geätzt wird.

Der letzte Prozess heißt Diffusion. Dies ist der Prozess, der dem Halbleitermaterial die gewünschten halbleitenden Eigenschaften verleiht. Es ist auch bekannt als Doping. Der Prozess führt ein unreines Atom in das System ein, das den pn-Übergang erzeugt. Um die unreinen Atome in den Siliziumwafer einzubetten, wird der Wafer zuerst in eine 1100 Grad Celsius-Kammer gegeben. Die Atome werden injiziert und diffundieren schließlich mit dem Silizium. Nachdem der Prozess abgeschlossen ist und das Silizium Raumtemperatur erreicht hat, ist der Dotierungsprozess abgeschlossen und das halbleitende Material ist bereit für die Verwendung in einer integrierten Schaltung.

Physik von Halbleitern

Energiebänder und elektrische Leitung
Halbleiter werden durch ihr einzigartiges elektrisch leitendes Verhalten definiert, irgendwo zwischen dem eines Leiters und eines Isolators. Die Unterschiede zwischen diesen Materialien können in Bezug auf die Quantenzustände für Elektronen verstanden werden, von denen jede null oder ein Elektron enthalten kann (nach dem Pauli-Ausschlussprinzip). Diese Zustände sind mit der elektronischen Bandstruktur des Materials verbunden. Die elektrische Leitfähigkeit entsteht aufgrund der Anwesenheit von Elektronen in delokalisierten Zuständen (die sich durch das Material erstrecken). Um Elektronen zu transportieren, muss jedoch ein Zustand teilweise gefüllt sein, der nur einen Teil der Zeit ein Elektron enthält. Wenn der Zustand immer mit einem Elektron besetzt ist, dann ist es inert und blockiert den Durchgang anderer Elektronen über diesen Zustand. Die Energien dieser Quantenzustände sind kritisch, da ein Zustand nur dann teilweise gefüllt ist, wenn seine Energie in der Nähe der Fermi-Ebene liegt (siehe Fermi-Dirac-Statistik).

Hohe Leitfähigkeit in einem Material ergibt sich aus vielen teilweise gefüllten Zuständen und viel Zustandsdelokalisierung. Metalle sind gute elektrische Leiter und haben viele teilweise gefüllte Zustände mit Energien in der Nähe ihres Fermi-Niveaus. Im Gegensatz dazu haben die Isolatoren nur wenige, teilweise gefüllte Staaten, ihre Fermi-Niveaus befinden sich in Bandlücken mit wenigen Energiezuständen. Es ist wichtig, dass ein Isolator leitfähig gemacht werden kann, indem seine Temperatur erhöht wird: Heizen liefert Energie, um einige Elektronen über die Bandlücke zu fördern, was teilweise gefüllte Zustände sowohl im Zustandsband unterhalb der Bandlücke (Valenzband) als auch im obigen Band von Zuständen induziert die Bandlücke (Leitungsband). Ein (intrinsischer) Halbleiter hat eine Bandlücke, die kleiner ist als die eines Isolators, und bei Raumtemperatur können eine erhebliche Anzahl von Elektronen angeregt werden, die Bandlücke zu durchqueren.

Ein reiner Halbleiter ist jedoch nicht sehr nützlich, da er weder ein sehr guter Isolator noch ein sehr guter Leiter ist. Ein wichtiges Merkmal von Halbleitern (und einigen Isolatoren, die als Semi-Isolatoren bekannt sind) besteht jedoch darin, dass ihre Leitfähigkeit durch Dotieren mit Verunreinigungen und Durchschalten mit elektrischen Feldern erhöht und gesteuert werden kann. Dotierung und Gating bewegen entweder das Leitungs- oder das Valenzband viel näher an das Fermi-Niveau und erhöhen die Anzahl der teilweise gefüllten Zustände erheblich.

Einige Halbleitermaterialien mit breiterer Bandlücke werden manchmal als Halbisolatoren bezeichnet. Wenn sie undotiert sind, haben diese eine elektrische Leitfähigkeit, die näher an der von elektrischen Isolatoren liegt, jedoch können sie dotiert werden (was sie so nützlich wie Halbleiter macht). Semi-Isolatoren finden Nischenanwendungen in der Mikroelektronik wie Substrate für HEMT. Ein Beispiel für einen üblichen Halbisolator ist Galliumarsenid. Einige Materialien, wie z. B. Titandioxid, können sogar als isolierende Materialien für einige Anwendungen verwendet werden, während sie für andere Anwendungen als Halbleiter mit weitem Abstand behandelt werden.

Ladungsträger (Elektronen und Löcher)
Das partielle Auffüllen der Zustände am unteren Ende des Leitungsbands kann so verstanden werden, daß diesem Band Elektronen hinzugefügt werden. Die Elektronen bleiben nicht unbegrenzt (aufgrund der natürlichen thermischen Rekombination), aber sie können sich für einige Zeit bewegen. Die tatsächliche Konzentration von Elektronen ist typischerweise sehr stark verdünnt, und so ist es (im Gegensatz zu Metallen) möglich, die Elektronen im Leitungsband eines Halbleiters als eine Art klassisches ideales Gas zu betrachten, in dem die Elektronen frei herumfliegen, ohne Gegenstand zu sein das Pauli-Ausschlussprinzip. In den meisten Halbleitern haben die Leitungsbänder eine parabolische Dispersionsrelation, und so reagieren diese Elektronen auf Kräfte (elektrisches Feld, magnetisches Feld usw.) ähnlich wie im Vakuum, allerdings mit einer anderen effektiven Masse. Da sich die Elektronen wie ein ideales Gas verhalten, kann man auch über sehr einfache Begriffe wie das Drude-Modell nachdenken und Konzepte wie die Elektronenmobilität einführen.

Für die partielle Füllung oben im Valenzband ist es hilfreich, das Konzept eines Elektronenlochs einzuführen. Obwohl sich die Elektronen im Valenzband immer bewegen, ist ein vollständig vollständiges Valenzband inert und leitet keinen Strom. Wenn ein Elektron aus dem Valenzband herausgenommen wird, fehlt nun die Bahn, die das Elektron normalerweise genommen hätte. Für die Zwecke des elektrischen Stroms kann diese Kombination des vollständigen Valenzbandes, minus des Elektrons, in ein Bild einer vollständig leeren Bande umgewandelt werden, die ein positiv geladenes Teilchen enthält, das sich in der gleichen Weise wie das Elektron bewegt. Zusammen mit der negativen effektiven Masse der Elektronen an der Spitze des Valenzbands erhalten wir ein Bild eines positiv geladenen Teilchens, das auf elektrische und magnetische Felder reagiert, so wie es ein normales positiv geladenes Teilchen im Vakuum tun würde, wiederum mit etwas Positivem effektive Masse. Dieses Teilchen wird Loch genannt, und die Ansammlung von Löchern im Valenzband kann wieder in einfachen klassischen Begriffen verstanden werden (wie bei den Elektronen im Leitungsband).

Carrier-Generierung und Rekombination
Wenn ionisierende Strahlung auf einen Halbleiter trifft, kann sie ein Elektron aus seinem Energieniveau anregen und folglich ein Loch hinterlassen. Dieser Prozess wird als Elektron-Loch-Paar-Generation bezeichnet. Die Elektronen-Loch-Paare werden auch ständig von thermischer Energie erzeugt, wenn keine externe Energiequelle vorhanden ist.

Elektronen-Loch-Paare können auch rekombinieren. Die Erhaltung der Energie erfordert, dass diese Rekombinationsereignisse, bei denen ein Elektron eine Energiemenge verliert, die größer als die Bandlücke ist, von der Emission thermischer Energie (in Form von Phononen) oder Strahlung (in Form von Photonen) begleitet wird.

In einigen Staaten sind die Erzeugung und Rekombination von Elektron-Loch-Paaren gleichmßig. Die Anzahl der Elektron-Loch-Paare im stationären Zustand bei einer gegebenen Temperatur wird durch die quantenstatistische Mechanik bestimmt. Die genauen quantenmechanischen Mechanismen der Erzeugung und Rekombination werden durch die Erhaltung der Energie und die Erhaltung des Impulses bestimmt.

Da die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen und Löcher zusammentreffen, proportional zum Produkt ihrer Zahlen ist, ist das Produkt im stationären Zustand bei einer gegebenen Temperatur nahezu konstant, vorausgesetzt, dass kein signifikantes elektrisches Feld vorhanden ist (das Träger beider Typen „ausspülen“ könnte). oder sie aus Nachbarregionen verschieben, die mehr von ihnen enthalten, um sich zu treffen) oder extern erzeugte Paarerzeugung. Das Produkt ist eine Funktion der Temperatur, da die Wahrscheinlichkeit, genügend Wärmeenergie zur Erzeugung eines Paares zu erhalten, mit der Temperatur ansteigt, etwa exp (-EG / kT), wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und EG die Bandlücke ist .

Die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens wird durch Trägerfallen erhöht – Verunreinigungen oder Versetzungen, die ein Elektron oder ein Loch einfangen und halten können, bis ein Paar vollständig ist. Solche Trägerfallen werden manchmal absichtlich hinzugefügt, um die Zeit zu verringern, die benötigt wird, um den stationären Zustand zu erreichen.

Doping
Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann leicht durch Einführen von Verunreinigungen in ihr Kristallgitter modifiziert werden. Der Vorgang des Hinzufügens geregelter Verunreinigungen zu einem Halbleiter ist als Dotieren bekannt. Die Menge an Verunreinigung oder Dotierstoff, die einem intrinsischen (reinen) Halbleiter hinzugefügt wird, variiert sein Leitfähigkeitsniveau. Dotierte Halbleiter werden als extrinsisch bezeichnet. Durch Hinzufügen von Verunreinigungen zu den reinen Halbleitern kann die elektrische Leitfähigkeit um Faktoren von Tausenden oder Millionen variiert werden.

Eine Probe von 1 cm³ eines Metalls oder Halbleiters hat eine Größenordnung von 1022 Atomen. In einem Metall spendet jedes Atom mindestens ein freies Elektron für die Leitung, somit enthält 1 cm³ Metall in der Größenordnung von 1022 freien Elektronen, während eine Probe von 1 cm³ reinem Germanium bei 20ºC nur etwa 4,2 · 10² Atome enthält 2,5 × 1013 freie Elektronen und 2,5 × 1013 Löcher. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 1017 freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um einen Faktor von 10.000 erhöht.

Die als geeignete Dotierstoffe gewählten Materialien hängen von den atomaren Eigenschaften sowohl des Dotierstoffs als auch des zu dotierenden Materials ab. Im Allgemeinen werden Dotierstoffe, die die erwünschten gesteuerten Änderungen erzeugen, entweder als Elektronenakzeptoren oder als Donoren klassifiziert. Halbleiter, die mit Donatorverunreinigungen dotiert sind, werden n-Typ genannt, während solche, die mit Akzeptorverunreinigungen dotiert sind, als p-Typ bekannt sind. Die Bezeichnungen n und p geben an, welcher Ladungsträger als Hauptträger des Materials wirkt. Der entgegengesetzte Träger wird als Minoritätsträger bezeichnet, der aufgrund thermischer Anregung in einer viel geringeren Konzentration als der Majoritätsträger existiert.

Zum Beispiel hat das reine Halbleitersilizium vier Valenzelektronen, die jedes Siliziumatom an seine Nachbarn binden. In Silizium sind die gebräuchlichsten Dotiermittel Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Elemente der Gruppe III enthalten alle drei Valenzelektronen, wodurch sie als Akzeptoren fungieren, wenn sie zum Dotieren von Silizium verwendet werden. Wenn ein Akzeptoratom ein Siliciumatom im Kristall ersetzt, entsteht ein freier Zustand (ein Elektronen- „Loch“), der sich um das Gitter bewegen kann und als Ladungsträger fungiert. Elemente der Gruppe V haben fünf Valenzelektronen, die es ihnen ermöglichen, als Donor zu wirken; Substitution dieser Atome durch Silizium erzeugt ein zusätzliches freies Elektron. Daher erzeugt ein Siliziumkristall, der mit Bor dotiert ist, einen p-Typ-Halbleiter, während einer, der mit Phosphor dotiert ist, zu einem n-Typ-Material führt.

Während der Herstellung können Dotierstoffe durch Kontakt mit gasförmigen Verbindungen des gewünschten Elements in den Halbleiterkörper diffundiert werden, oder Ionenimplantation kann verwendet werden, um die dotierten Bereiche genau zu positionieren.

Frühe Geschichte der Halbleiter
Die Geschichte des Verständnisses von Halbleitern beginnt mit Experimenten zu den elektrischen Eigenschaften von Materialien. Die Eigenschaften des negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands, der Gleichrichtung und der Lichtempfindlichkeit wurden ab dem frühen 19. Jahrhundert beobachtet.

Thomas Johann Seebeck war der erste, der 1821 einen Effekt aufgrund von Halbleitern bemerkte. Michael Faraday berichtete 1833, dass der Widerstand von Proben aus Silbersulfid abnimmt, wenn sie erhitzt werden. Dies steht im Gegensatz zum Verhalten von metallischen Stoffen wie Kupfer. Im Jahr 1839 berichtet Alexandre Edmond Becquerel über die Beobachtung einer Spannung zwischen einem festen und einem flüssigen Elektrolyten, wenn er von Licht getroffen wird, dem photovoltaischen Effekt. 1873 beobachtete Willoughby Smith, dass Selenwiderstände abnehmenden Widerstand zeigen, wenn Licht auf sie fällt. 1874 beobachtete Karl Ferdinand Braun Leitung und Rektifikation in metallischen Sulfiden, obwohl dieser Effekt schon früher von Peter Munck af Rosenschold (sv) für die Annalen der Physik und Chemie 1835 entdeckt worden war, und Arthur Schuster fand eine Kupferoxidschicht auf Drähte haben Rektifikationseigenschaften, die beim Reinigen der Drähte aufhören. William Grylls Adams und Richard Evans Day beobachteten 1876 den photovoltaischen Effekt in Selen.

Eine einheitliche Erklärung dieser Phänomene erforderte eine Theorie der Festkörperphysik, die sich in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts stark entwickelte. 1878 demonstrierte Edwin Herbert Hall die Ablenkung fließender Ladungsträger durch ein angelegtes Magnetfeld, den Hall-Effekt. Die Entdeckung des Elektrons durch JJ Thomson im Jahre 1897 führte zu Theorien der Elektronen-basierten Leitung in Festkörpern. Karl Baedeker stellte durch Beobachtung eines Hall-Effekts mit dem umgekehrten Vorzeichen gegenüber dem von Metallen die Theorie auf, dass Kupferiodid positive Ladungsträger hat. Johan Koenigsberger klassifizierte 1914 Feststoffe als Metalle, Isolatoren und „variable Leiter“, obwohl sein Student Josef Weiss bereits 1910 den Begriff Halbleiter in seiner Doktorarbeit einführte. Felix Bloch veröffentlichte eine Theorie der Bewegung von Elektronen durch Atom Gitter im Jahre 1928. Im Jahre 1930 erklärte B. Gudden, dass die Leitfähigkeit in Halbleitern auf geringe Konzentrationen von Verunreinigungen zurückzuführen sei. Bis 1931 wurde die Bandleitungstheorie von Alan Herries Wilson etabliert und das Konzept der Bandlücken entwickelt. Walter H. Schottky und Nevill Francis Mott entwickelten Modelle der Potentialbarriere und der Eigenschaften eines Metall-Halbleiter-Übergangs. Boris Davydov hatte 1938 eine Theorie des Kupferoxid-Gleichrichters entwickelt, die den Effekt des p-n-Übergangs und die Bedeutung von Minoritätsladungsträgern und Oberflächenzuständen identifizierte.

Die Übereinstimmung zwischen theoretischen Vorhersagen (basierend auf sich entwickelnder Quantenmechanik) und experimentellen Ergebnissen war manchmal schlecht. Dies wurde später von John Bardeen aufgrund des extremen „struktursensitiven“ Verhaltens von Halbleitern erklärt, deren Eigenschaften sich aufgrund kleiner Mengen von Verunreinigungen dramatisch ändern. Kommerziell reine Materialien der 1920er Jahre, die unterschiedliche Anteile von Spurenverunreinigungen enthalten, erzeugten unterschiedliche experimentelle Ergebnisse. Dies führte zur Entwicklung verbesserter Materialveredelungstechniken, die in modernen Halbleiterraffinerien kulminierten, die Materialien mit einer Reinheit von Teilen pro Billion produzieren.

Vorrichtungen, die Halbleiter verwenden, wurden zunächst basierend auf empirischem Wissen konstruiert, bevor die Halbleitertheorie einen Leitfaden für die Konstruktion leistungsfähigerer und zuverlässigerer Vorrichtungen lieferte.

Alexander Graham Bell verwendete 1880 die lichtempfindliche Eigenschaft von Selen, um Schall über einen Lichtstrahl zu übertragen. Eine funktionierende Solarzelle mit geringer Effizienz wurde von Charles Fritts im Jahre 1883 unter Verwendung einer mit Selen beschichteten Metallplatte und einer dünnen Schicht aus Siliziumdioxid hergestellt Gold; die Vorrichtung wurde kommerziell in fotografischen Belichtungsmessern in den 1930er Jahren nützlich. Punktkontakt-Mikrowellen-Detektorgleichrichter aus Bleisulfid wurden 1904 von Jagadish Chandra Bose verwendet; Der Katzen-Whisker-Detektor, der natürlichen Bleiglanz oder andere Materialien verwendet, wurde zu einem verbreiteten Gerät bei der Entwicklung von Radio. Es war jedoch im Betrieb etwas unvorhersehbar und erforderte manuelle Anpassung für die beste Leistung. 1906 beobachtete HJ Round die Lichtemission, als elektrischer Strom durch Siliziumkarbidkristalle geleitet wurde, das Prinzip hinter der Leuchtdiode. Oleg Losev beobachtete eine ähnliche Lichtemission im Jahr 1922, aber zu der Zeit hatte der Effekt keinen praktischen Nutzen. Leistungsgleichrichter, die Kupferoxid und Selen verwenden, wurden in den 1920er Jahren entwickelt und wurden als Alternative zu Vakuumröhren-Gleichrichtern kommerziell wichtig.

In den Jahren vor dem Zweiten Weltkrieg führten Infrarot-Detektions- und Kommunikationsgeräte zur Erforschung von Blei-Sulfid- und Blei-Selenid-Materialien. Diese Geräte wurden zum Erfassen von Schiffen und Flugzeugen, für Infrarot-Entfernungsmesser und für Sprachkommunikationssysteme verwendet. Der Punktkontakt-Kristalldetektor wurde für Mikrowellen-Funksysteme wichtig, da verfügbare Vakuumröhrenvorrichtungen nicht als Detektoren oberhalb von etwa 4000 MHz dienen konnten; Fortgeschrittene Radarsysteme stützten sich auf die schnelle Reaktion von Kristalldetektoren. Während des Krieges kam es zu beträchtlicher Forschung und Entwicklung von Siliziummaterialien, um Detektoren mit gleichbleibender Qualität zu entwickeln.

Detektor und Leistungsgleichrichter konnten ein Signal nicht verstärken. Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um einen Festkörperverstärker zu entwickeln, und es war erfolgreich, ein Gerät zu entwickeln, das Punktkontakttransistor genannt wurde, der 20 dB oder mehr verstärken konnte. Im Jahre 1922 entwickelte Oleg Losev zwei Endverstärker mit negativem Widerstand für das Radio, und er starb in der Belagerung von Leningrad nach erfolgreichem Abschluss. 1926 patentierte Julius Edgar Lilienfeld ein Gerät, das einem modernen Feldeffekttransistor ähnelte, aber es war nicht praktisch. R. Hilsch und RW Pohl demonstrierten 1938 einen Festkörperverstärker mit einer Struktur, die dem Steuergitter einer Vakuumröhre ähnelt; Obwohl das Gerät eine Leistungsverstärkung zeigte, hatte es eine Grenzfrequenz von einem Zyklus pro Sekunde, die für praktische Anwendungen zu niedrig war, aber eine effektive Anwendung der verfügbaren Theorie. An den Bell Labs begannen William Shockley und A. Holden 1938 mit der Untersuchung von Festkörperverstärkern. Der erste p-n-Übergang in Silizium wurde von Russell Ohl um 1941 beobachtet, als eine Probe lichtempfindlich und scharf begrenzt wurde zwischen p-Typ-Verunreinigung an einem Ende und n-Typ am anderen Ende. Eine von der Probe an der p-n-Grenze geschnittene Scheibe entwickelte eine Spannung, wenn sie Licht ausgesetzt wurde.

In Frankreich hatte Herbert Mataré während des Krieges Verstärkung zwischen benachbarten Punktkontakten auf einer Germaniumbasis beobachtet. Nach dem Krieg meldete Matarés Gruppe ihren „Transistron“ -Verstärker erst kurz nachdem Bell Labs den „Transistor“ ankündigte.