A szilícium, germánium és még számos anyag tiltott sávjának szélessége nem nulla, ám viszonylag kicsi. Az ilyen anyagokat félvezetőknek nevezzük. A félvezetők elektronokkal telített vegyértéksávjában az elektronok rögzítettek és legfeljebb csak mocorogni képesek, nagy távolságokba eljutni nem. A szabad mozgáshoz az elektronokat a vezetési sávba kell „gerjeszteni”, ahol már vezetési mechanizmusuk hasonló a fémekéhez, hiszen az elektronok itt már teljesen delokalizáltak, vagyis ha a félvezetőre külső feszültséget kapcsolunk, megindul az elektronok szabad áramlása. Az elektronok száma – 1016–1019/m3 – persze ez esetben jóval kisebb, mint a fémekben. Természetesen ezúttal a vegyértéksávból a vezetési sávba való gerjesztés energiabefektetéssel jár, de erre az energiára a statisztikus hőmozgás következtében a hőmérséklettől függően az elektronok szert tehetnek.

A gyémánt tiltott sávja igen széles. Az elektronok ebben az esetben is csak a vezetési sávban mozoghatnának. És minthogy a gyémánt vezetési sávjában nincsenek, és könnyen nem is kerülhetnek elektronok, nem is képes az elektromosságot vezetni: a gyémánt szigetelő.

A vezetésnek ezúttal van egy másik, az előzőtől teljesen különböző, ám az előzővel parallel mechanizmusa is. Hogyan is kerülnek az elektronok a vezetési sávba? Nyilván a vegyértéksávból, vagyis a vegyértékelektronok közül. Ezek helyén pedig pozitív töltésű „lyukak” maradnak. Csakhogy egy lyuk nagyon könnyen eltűnhet, ha egy szomszédos elektron betölti azt – miközben persze új lyuk keletkezik az elektron helyén a szomszédban. Ha mondjuk az elektronok az elektromos tér hatására jobbról balra áramlanak, könnyű belátni, hogy ugyanakkor formálisan a lyukak balról jobbra mozognak. Ily módon a vegyértékelektronok a lyukakon keresztül vándorolnak, avagy a lyukak mozognak – éppen az elektronokkal ellenkező irányba. A vezetési sáv elektronjain kívül tehát a vegyértéksáv lyukai is részt vesznek a vezetésben. A termikus gerjesztéssel nemcsak a vezetési sávba kerülő elektronok száma, hanem pontosan ugyanolyan mennyiségben a vegyértéksávban generált lyukak száma is nő, a félvezető ellenállása a hőmérséklet növekedtével tehát ezáltal is csökken. Ha egy félvezető, mondjuk szilícium kristályrácsában egy szilíciumatomot pl. foszforral helyettesítünk, szegény foszforatom, miután négy elektronjával a négy szomszédos szilíciummal kovalens kötéseket hozott létre, az ötödik elektronjával nem tud mit kezdeni. Ez az elektron így nem is vesz részt a kristály sávrendszerében, ott marad lokalizálva a foszforon. De nem sokáig. Nézzük csak meg, mi történik, ha ez a lokalizált elektron kölcsönhat a kristály sávrendszerével (11.28. ábra). A foszforatomok árva elektronjai valahol a szilícium tiltott sávjába ékelődnek, meglehetősen közel a vezetési sáv aljához. Ezért igen kis termikus energia is elegendő ahhoz, hogy ezek az elektronok a vezetési sávba jussanak, és ezáltal szabaddá váljanak. A foszfor tehát elektrondonorként viselkedik. Azzal, hogy foszforral „szennyeztük” az anyagot, extra elektronokat nyertünk, melyek nagymértékben megnövelik a félvezető vezetését. Ekkor már nem igaz, hogy a félvezetőben az elektronok és lyukak száma megegyezik, a negatív töltéshordozók száma megnőtt. Az így szennyezett félvezetőt ntípusúnak nevezzük. Az elmondottak alapján az is logikusan következik, hogy a szokásos adalékkoncentrációk esetén a Fermi-szint a tiltott sáv közepéről felfelé, a szennyező szintek fölé tolódik. Teljesen analóg leírást adhatunk, ha foszfor helyett mondjuk indium- vagy bóratomokkal szennyezzük a szilíciumot. Ezeken az atomokon a szilíciumhoz képest egy vegyértékelektronnal kevesebb van, ám valamelyik szomszédtól viszonylag kis energiával elorozhatnak egyet, így egy elektronhiányt, lyukat generálhatnak. A 11.28. ábra szerint a bóratomok üres akceptorszintjei ugyancsak a tiltott sávban helyezkednek el, ezúttal azonban a vegyértéksáv felső határa közelében. Ezért könnyen betöltődhetnek a vegyértéksáv elektronjaival, miközben lyukak maradnak vissza. Az akceptoratomok tehát a pozitív töltéshordozók számát növelik meg, ezért az ilyen félvezetőt ptípusúnak nevezzük.

A jelenségen alapulnak a termoelemek, melyekkel egyszerűen és pontosan mérhető a hőmérséklet, és a termoelektromos generátorok, melyek feszültségforrásként működtethetők. A Mars felszínén például jó ideje megbízhatóan működik a NASA Perseverance nevű terepjárója, amelynek energiaforrása egy PuO2 egység, mely radioaktív bomlása során hőt termel. Ez a hő táplál egy termoelektromos generátort, és ez hajtja a terepjáró motorját.

A jelenség megfordítottját 1834-ben Jean Peltier fedezte fel: ha két fém közötti átmeneteken elektromos áram folyik keresztül, az átmenetek hőmérséklete különbözni fog. A Peltier-effektust mozgó alkatrészek nélküli hűtésre használják.

Mi történik, ha erre a szerkezetre külső egyenfeszültséget kapcsolunk? Amennyiben az n-típusú félvezetőre pozitív feszültséget, a p-oldalra negatívat kapcsolunk, a még jelen levő töltéshordozókat is „kiszívjuk” az átmenet tartományából. Az átmeneti tartomány ezért szélesedik, így az áram nem vagy csak nagyon kicsit tud folyni. Cseréljük fel most a pólusokat! A pozitívvá vált n-típusú oldalra a negatív pólus nyomja az elektronokat, a p-típusú oldalra a pozitív pólus a lyukakat. Az elektronok és lyukak áramlása megindul, a kristály jól vezet. Az áram irányától fog függeni az ellenállás! Ha például váltakozó feszültséget kapcsolunk a kristály két végére, az az egyik irányban „nyit”, a másikban „zár”, vagyis egyenirányítóként működik. Az elmondottak alapján működik a dióda.

A mai elektronika vitathatatlanul legfontosabb anyagai a félvezetők. Félvezetők a modern elektronikus eszközök döntő többségének az alapjai, ezekből készítik a tranzisztorokat, integrált áramköröket, a napelemeket, a fényemittáló és lézerdiódákat és számtalan egyéb, a mindennapi életben használatos eszközt. Néhány, a gyakorlatban hasznos félvezető anyagot és tiltott sávszélességüket a 11.5. táblázatban adtuk meg.

Az indium-oxid (In2O3) félvezető, tiltott sávszélessége körülbelül akkora, mint a cink-szulfidé – 360–370 kJ/mol – vagyis tökéletesen átlátszó. Ha ónnal szennyezzük, n-típusú félvezetőhöz jutunk, melyben egyes indiumatomokat ónatomok helyettesítenek a kristályrácsban. Az ónatomokhoz tartozó donorszintek, ahogy az várható, a tiltott sávban találhatók, közel az indium-oxid vezetési sávjához. Ha viszont a szennyező koncentrációját erőteljesen megnöveljük, mondjuk úgy 5–10%-ig – ez már nem is szennyező, inkább ötvözőanyag –, a mindeddig magányos donorszintek is kombinálódni fognak, vagyis egy új sáv jön létre, mely összeolvad az eredeti vezetési sávval. A sávszerkezet tehát megváltozik: a kialakuló új vezetési sáv már tekintélyes számú töltéshordozót tartalmaz.

A következmény drámai: az ITO (Indium Tin Oxide) kitűnően vezeti az áramot (vezetőképessége 103–104 Ω–1cm–1), ugyanakkor teljesen átlátszó, vagyis a látható fényt nem képes elnyelni. Az infravörös sugárzást viszont a vezetési sáv elektronjai elnyelik és visszatükrözik. Mire használható az ITO? Használják napelemekhez, LCD-tévék, laptopok, okostelefonok képernyőjéhez (melyeknél a transzparencia létfontosságú, de az egyes képpontokat össze is kell kötni valahogy), antisztatikus bevonatok készítéséhez, elektrokromatikus ablakok bevonatához, repülőgépek pilótafülkéinek ablakaihoz, a jegesedés elkerülésére. Ugyancsak felhasználják ún. intelligens üvegek készítéséhez, melyek nyári melegben visszatükrözik a hőt, télen viszont a benti meleget a szobában tartják. Egyszóval az anyag ma, a „high-tech” világában igazi sztár.

Sajnos a Föld indiumkészlete meglehetősen csekély és a széles körű felhasználás miatt belátható időn belül el is fog fogyni. Ezért napjainkban intenzív kutatás folyik hasonló anyagok kifejlesztésére. Számos ígéretes Al-, Ga- és Zn-alapú átlátszó vezetőt fejlesztettek már ki (AZO, GZO – vajon mit is jelentenek e rövidítések?), azonban jelenleg még az ITO kitűnő tulajdonságai utolérhetetlennek tűnnek.

A szupravezetőben az elektronok egy bizonyos hőmérséklet alatt párokba rendeződnek. Az így létrejövő, ún. Cooperpárok spinje zérus, vagyis bozonoknak tekinthetők. A Pauli-elv értelmében pedig a rendszerben található összes Cooper-pár energiája azonossá válik. Az energia csak kvantáltan, ugrásszerűen változhat meg, így lesz egy minimális energia, aminek meg kell lennie ahhoz, hogy a Cooper-párok árama meginduljon. Ha viszont ez nagyobb, mint a kristályrács rezgési energiája, akkor a rács nem tudja átvenni az elektronpároktól. Vagyis már nem akadályozhatja mozgásukat, és így azok nem is veszítenek energiát. A Cooper-párokba rendeződött elektronok mozgása hasonló a hélium szuperfolyékonyságához.

Hogyan mérhető a szupravezető tulajdonság? Egy gyűrűben áramot hozunk létre, és az áram által létrejött mágneses mező időbeli változását mérjük. Ha az anyag szupravezető, képes az áramot feszültség jelenléte nélkül is fenntartani. A kísérletek igazolják, hogy szupravezető tekercsekben az áram mérhető csökkenés nélkül évekig fenntartható. Elméleti számítások szerint, míg a világ világ, az áram fennmarad!

1986-ban új fordulatot hozott a történetben Bednorz és Müller német fizikusok felfedezése, miszerint egy bárium-, lantán- és réztartalmú oxid egészen 30 K-ig szupravezető! Ez két okból is rendkívüli: egyrészt, mert az addig ismert anyagok legfeljebb csak néhány kelvinig voltak csak szupravezetők, másrészt, mert az új anyag egy bonyolult szerkezetű kerámia, mely normál körülmények között éppen hogy szigetelő! A felfedezésért a következő évben annak rendje s módja szerint Nobel-díjat kaptak. Nem meglepő, hogy ezután óriási verseny indult minél magasabb hőmérsékletű szupravezetők előállítása érdekében.

Hosszú ideig a „világcsúcsot” a HgBa2Ca2Cu3O8 összetételű kerámia-anyag tartotta 134 K-es kritikus hőmérséklettel. 2015-ben azonban bebizonyosodott, hogy az egyszerű kén-hidrogén is szupravezető – csak éppen jó nagy, 153 GPa nyomáson. Ott viszont egészen 203 K hőmérsékletig. A legújabb kutatások még ezt is túlszárnyalták. A lantán-hidrid és az ittrium-hidrid 170 GPa nyomáson egészen 250 K-ig szupravezető. Sőt, elméleti számítások alapján megjósolták, hogy a hidrogén kb. 500 GPa nyomáson már szobahőmérsékleten is szupravezetővé válik.