由原子結(jié)構(gòu)理論可知，硅元素單晶體的原子結(jié)構(gòu)都是排列成非常整齊的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
圖1 硅原子單晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)
圖中，硅原子外層的四個(gè)電子分別與四周相遴的硅原子中的一個(gè)電子形成共價(jià)鍵，該電子既圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又圍繞相鄰位置上的原子核運(yùn)動(dòng)，即該兩個(gè)電子為相鄰兩原子共有，所以稱價(jià)電子。因此，硅單晶體（純凈的硅）在絕對零度時(shí)，這種原子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，沒有能夠自由活動(dòng)的載流子，所以它的特性如同絕緣體一樣不導(dǎo)電。
當(dāng)在室溫下或受到外界加熱后，外界的能量將打破原先的共價(jià)健結(jié)構(gòu)，使價(jià)電子掙脫原子核的束縛而成為自由電子，同時(shí)在該共價(jià)鍵的位置上留下一個(gè)空位，該空位也稱空穴，這個(gè)過程稱為“熱激發(fā)”。可見，受熱激發(fā)后，產(chǎn)生一個(gè)自由電子的同時(shí)，也就產(chǎn)生一個(gè)空穴，如圖2所示中成對出現(xiàn)的電子和空穴哪樣。所以，熱激發(fā)后將產(chǎn)生兩種載流子，電子載流子和空穴載流子。如果該半導(dǎo)體受到外加電場的作用，半導(dǎo)體中的電子載流子就會(huì)因電場力的作用而作定向運(yùn)動(dòng)，從而形成電子流電流。
圖2 硅原子單晶體熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對
那么空穴載流子是如何導(dǎo)電的呢？通常，一個(gè)原子核所帶的正電荷與原子核外層電子所帶的負(fù)電荷在數(shù)量上是相等的，即整個(gè)原子呈現(xiàn)電中性，而不帶電。當(dāng)受熱激發(fā)使共價(jià)鍵上的電子被激發(fā)成了自由電子后，就不受原來原子核的束縛。跑掉了一個(gè)電子就相當(dāng)于失去了一個(gè)單位的負(fù)電荷，破壞了原來的電中性，這就相當(dāng)于留下的空穴帶上了一個(gè)正電荷。
在硅晶體原子結(jié)構(gòu)中的電子，不管是受哪個(gè)原子核的束縛，它所具有的能級(jí)都是相同的。因此當(dāng)共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)空穴后，與該空穴相鄰的共價(jià)鍵上的電子就非常容易跑到這個(gè)空位置中，使得該相鄰的共價(jià)鍵上形成一個(gè)空穴，其效果好象空穴從原來的位置移動(dòng)到了相鄰的共價(jià)鍵上去一樣。然后新的空穴又會(huì)被附近的共價(jià)鍵上的價(jià)電子填充。如此不斷地重復(fù)，就相當(dāng)于這個(gè)帶正電荷的空穴在晶體中運(yùn)動(dòng)一樣。
由于晶體中填補(bǔ)空穴的電子來自其它相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，這些電子在外電場e的作用下逆電場運(yùn)動(dòng)，則帶正電的空穴將順電場而運(yùn)動(dòng)，也就形成了空穴電流了。