シリコン原子は価電子を 4 個持ち、そのすべてを隣の原子と 1 個ずつ出し合って共有する。結合はどの向きにも 4 本伸び、原子は規則正しく並んで結晶になる。この状態では電子はどれも結合に使われていて、動けるものがない。
温度が上がると、熱のゆらぎで結合から電子が 1 個飛び出すことがある。飛び出した電子は結晶の中を自由に動けるようになり、抜けたあとには結合の空きが残る。この空きが正孔で、まわりから電子が移ってくるので、正の電荷を持つ粒子のようにふるまう。
自由電子と正孔は必ず対で生まれる。しばらくすると電子は正孔へ戻り、対で消える。まじりけのないシリコンで起きているのはこれだけで、運べる電荷はごくわずかしかない。不純物をまぜて電子か正孔の一方を増やすところから、半導体は使えるようになる。