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Im Gegensatz zu früheren Rechenmaschinen, wo mechanische oder elektromechanische Schalter verwendet wurden, werden bei modernen digitalen Anwendungen elektronische Schalter auf Halbleiterbasis verwendet. In diesem Kapitel sollen die physikalischen Grundlagen der Halbleiter erklärt werden, um diese dann im nächsten Kapitel (→ MOSFET-Transistoren) anzuwenden.
Halbleiter sind Materialien, die sowohl elektrisch leitende als auch isolierende Eigenschaften haben. Der bekannteste Vertreter ist das Element Silizium (Si). Alle Phänomene werden nachfolgend an diesem Element erklärt. Silizium ist ein 4-wertiges Element, das heißt, es hat vier Außenelektronen. Um auf eine Edelgaskonfiguration (das heißt 8 Außenelektronen) zu gelangen, ist jedes Si-Atom dazu bestrebt, Bindungen mit vier weiteren Atomen einzugehen, bei denen jeweils ein Elektronenpaar von beiden Atomen genutzt wird. Die so entstehende Verbindung ist ziemlich stabil - es entsteht ein Kristallgitter. Alle Ladungsträger (also Außenelektronen) sind hier gebunden. Da keine frei beweglichen Ladungen vorhanden sind, kann kein Strom fließen, der Halbleiter wirkt als Isolator.
Dieser Aufbau entsteht so aber nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (≈ -273 °C). Höhere Temperaturen können dazu führen, dass einige Elektronen auf ein höheres Energieniveau (siehe Schalenmodell des Atoms) wechseln und dann so viel Energie haben, dass sie die Bindung lösen können und als freie negative Ladungsträger im Gitter verbleiben. An ihrer ursprünglichen Stelle hinterlassen sie ein sogenanntes Loch, auch Defektelektron genannt. Benachbarte Elektronen können ihren Platz verlassen und das Loch füllen, wobei an ihrer Stelle ein neues Loch entsteht. Das Loch kann also quasi fließen und wirkt somit als positiver Ladungsträger. Da somit freie Ladungsträger vorhanden sind, kann ein elektrischer Strom fließen. Je höher die Temperatur ist, desto mehr Elektronen verlassen ihre Bindung und desto höher wird die elektrische Leitfähigkeit des Kristalls.
Um die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt zu beeinflussen, können einige wenige Fremdatome in das Kristallgitter eingebracht werden. Dieses Verfahren wird Dotierung genannt. Beim 4-wertigen Silizium werden dazu entweder 3-wertige oder 5-wertige Atome verwendet.
Bei der Dotierung mit 3-wertigen Elementen wie Aluminium, die drei Außenelektronen haben, entsteht ein zusätzliches Loch im Kristallgitter. Das Aluminiumatom versucht auch acht Außenelektronen zu bekommen, damit eine stabile Edelgaskonfiguration erreicht wird. Dies scheitert allerdings vorerst, da ein Elektron fehlt. Nur ein von außen zugeführtes Elektron kann diesen "Missstand" beheben. Dieses Loch wirkt wie ein zusätzlicher positiver Ladungsträger und verhält sich so wie im vorherigen Abschnitt beschrieben; es verbessert also zunächst die elektrische Leitfähigkeit. Da ein zusätzlicher positiver Ladungsträger eingebracht wird, wird diese Art der Dotierung p-Dotierung genannt.
Wird hingegen ein 5-wertiges Element mit fünf Außenelektronen wie Phosphor in das Gitter eingebracht, ist ein Elektron zu viel, da es nicht für die Bindungen benötigt wird. Dieses Elektron wirkt als freier negativer Ladungsträger und verbessert auch die elektrische Leitfähigkeit des Kristalls. Da ein zusätzlicher negativer Ladungsträger eingebracht wird, wird diese Art der Dotierung n-Dotierung genannt.
Werden n-dotierte und p-dotierte Gebiete aufeinander gelegt, so kommt es am Grenzgebiet zur Rekombination: Die überflüssigen Elektronen aus dem n-Gebiet füllen die Löcher im p-Gebiet. Positiv geladene Löcher und negativ geladene Elektronen vereinigen sich wieder und werden in der Bindung zwischen den Atomen gebunden. Das geschieht so lange, bis im Grenzgebiet keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind und somit eine Isolationsschicht entsteht.