在纯净的硅（Si）和锗（Ge）单质中，原子被紧密地排列在晶格结构中，其最外层的价电子主要用于与邻近原子形成共价键。由于这种排列方式，价电子几乎无法在电场的作用下自由移动，导致这些材料的导电性非常低。
当在三五族元素的原子（如氮、磷或硼、铝）中掺入Si或Ge时，这些杂质原子同样被纳入到晶格中，并与周围的Si或Ge原子形成共价键。然而，由于三五族元素的原子具有不同数量的价电子，它们会导致Si或Ge晶格中出现额外的自由电子（在掺入五价元素时）或空穴（在掺入三价元素时）。这些自由电子和空穴都是载流子，能够在电场的作用下移动，从而显著提高了半导体的导电性。
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