El dispositivo semiconductor más simple que puede construirse es un diodo, que es un semiconductor tipo N y un tipo P unidos el uno contra el otro. Los electrones donados por el semiconductor tipo N se difundirán por los límites y caerán en los agujeros del semiconductor tipo P, llenándolos. De un modo similar, los agujeros donados por el semiconductor tipo P pueden difundirse de la otra forma y absorber los electrones donados. El resultado neto es que todas las partículas y agujeros donados se cancelan, dejando una hilera de iones positivos en el lado N y una hilera de iones negativos en el lado P.
Manipulando los átomos, hemos creado una región que puede actuar como una batería a escala atómica. Un electrón situado a un lado de ese límite será repelido por los iones negativos y atraído por los positivos. En consecuencia, el electrón será acelerado a través de los límites, adquiriendo energía en el proceso, como si fuera una batería. La diferencia entre esta batería atómica y la batería de nuestro coche es que la batería atómica, una vez creada, no puede agotarse. Mientras los átomos sigan en su lugar, la «batería» atómica seguirá trabajando. Esta simple manipulación de átomos es en la que se basa la mayor parte de la industria de la microelectrónica.
El dispositivo semiconductor más ubicuo es el transistor. Un transistor típico es simplemente tres capas de semiconductor: o bien dos semiconductores tipo P formando sandwich con un tipo N en medio, o la inversa. Las cargas (o electrones o agujeros) fluyen de un trozo de «pan» del «sandwich» al otro trozo. Durante un breve periodo se hallan en el pequeño semiconductor de tipo distinto (el «relleno»). En consecuencia, cuando aplicamos pequeños cambios de voltaje a la parte central del dispositivo, podemos producir cambios más grandes en la corriente que fluye entre las dos piezas de los extremos, de un modo muy parecido a como pequeños cambios en una válvula pueden producir cambios más grandes en el flujo de agua en una gran tubería.
De este modo, una pequeña señal aplicada a la parte central del transistor «sandwich» puede ser traducida a una señal más grande en la corriente que fluye a través del transistor. Así es como un transistor de nuestro equipo de música toma una pequeña señal (la señal eléctrica de un lector de MP3) y la convierte en una señal más grande (la corriente que acciona unos altavoces). Un dispositivo que toma una señal pequeña y la convierte en una más grande recibe el nombre de amplificador.
Un microchip puede contener miles de transistores. Aunque los transistores originales eran dispositivos más bien voluminosos, los técnicos modernos pueden encajar miles de transistores en una placa de silicio del tamaño de una sello de correos. Esto se consigue mediante un proceso en el que los materiales tipo N y P son depositados directamente en capas sobre el silicio. De esta forma, las capas del «sandwich» pueden hacerse extremadamente delgadas, en principio tanto como el grosor de un átomo. El ensamblaje resultante del dispositivo semiconductor, llamado un «microchip», es lo que actúa dentro de calculadoras y ordenadores.
La parte que actúa, por ejemplo en las calculadoras, es el microchip, que puede ser del tamaño de un grano de arroz. Una calculadora no puede ser fabricada de un tamaño mucho más pequeño que una tarjeta de crédito, sin embargo, por una simple razón. Las teclas tienen que ser lo bastante grandes como para que los datos puedan ser tecleados por un ser humano. De este modo, el tamaño límite de la calculadora no queda establecido por la tecnología de los semiconductores, sino por el tamaño del dedo humano.
Antes de la llegada de los semiconductores, los sistemas electrónicos funcionaban con tubos de vacío o válvulas termoiónicas, que se han convertido en piezas de museo.
Esta es la primera válvula termoiónica que fabricó Sir John Ambrose Fleming (1849-1945) en 1889 (amparándose en el efecto Edison), siendo este invento uno de los precursores de la era electrónica.
