自然界的基本構造單元是原子，而原子又是由質子，中子和電子組成的。
自然界的任何事物都是由96種穩定元素和12種不穩定元素組成的，包括我們人類。
每種元素有不同的原子結構，因此有不同的物理，化學和電性能。
質子帶正電，中子不帶電，電子不帶電。
質子和中子集中在原子核中，電子圍繞原子核運動，且是在固定的軌道上。
電子在軌道上有一定的分布規則，即每個軌道(n)只能容納2nXn個電子。
也就是說，1號軌道上最多只能容納2個電子；2號軌道上最多只能容納8個電子；3號軌道上最多只能容納18個電子......
最外層被填滿或者擁有8個電子的元素是穩定的，這些原子在化學性質上要比最外層未填滿的原子更穩定。而原子會試圖與其他原子結合形成穩定的條件，即各軌道被填滿或者最外層有8個電子。
最外層的電子稱為價電子。
比如，鈉原子最外層電子數為1，所以易失去電子，性質很不穩定；
氖最外層電子為電子數為8，所以性質很穩定，不易與其他物質發生反應。
而作為半導體材料的硅，最外層電子數為4。所以經過合適的工藝，硅原子可以形成硅晶體。即每個硅原子周圍有4個硅原子，每個硅原子與其相鄰的硅原子共享最外層電子，形成共價鍵，使得每個硅原子看上去都有8個最外層電子。
當溫度為絕對0度時，即T-->0K時，硅晶表現為絕緣體，因為所有的價電子都待在共價鍵內。
即當在絕對0度時，給硅晶施加電壓，是不會有電流產生的。
當溫度升高時，電子獲得熱能，可能會從共價鍵內掙脫出來，變為自由電子。
所有半導體的導電性能處于導體和絕緣體之間，沒導體那么好，但是有能導那么一點點的電。
Si和Ge最外層都有4個電子，但是電子從共價鍵掙脫出來所需的能量不一樣，即Bandgap Energy不一樣，所有其自由電子的密度隨溫度的變化曲線不一樣，所有性能上也會有所差別。
當一個價電子成為自由電子，其離開后的位置，即稱為空穴。
半導體中的載流子有兩種，分別為電子和空穴。
而電子的移動速度要比空穴的移動速高，也就是說電子的遷移率要比空穴的遷移率高。
這是因為，當自由電子形成后，它不需要與其他原子進行交互，獨立運動。而對于空穴而言，它是需要與其他原子進行交互的，比如說，空穴想從位置1移動到位置3，它不是像電子一樣，直接就過去了，而是需要位置2的電子進入位置1中的空穴，以在位置2形成空穴，然后位置3的電子跳入位置2的空穴，以在位置3形成空穴，也就是需要不斷重復release-trap-release的過程。
這也是為什么用PMOS和NMOS設計電路時，要想得到同樣的電流時，PMOS所需要的尺寸(W/L)要比NMOS來的大。
