TiO2作为一种化合物半导体，对于金红石型和锐钛矿型都是间接带隙半导体。理想的化学配比、质量较高的TiO2单晶，呈现绝缘体性质。然而，在TiO2材料的制备过程中会有少量的氧空位等缺陷生成，有额外的自由电子产生，使得TiO2薄膜和单晶通常表现为n型半导体。目前，对于本征TiO2内部载流子的来源，在学术界引起了许多争议。一些学者认为，背景载流子是由于TiO2生长过程中所需形成能较低产生氧空位形成的。而另一些学者则认为，相对于氧空位，钦离子作为填隙原子的施主能级较浅，故他们认为二氧化钛本征n型导电是由Ti填隙造成的。此外，还有一些研究者认为，n型半导体主要是由材料合成过程中引入的氢杂质造成的。
作为n型半导体材料的TiO2，其导电性能的优劣，主要由载流子的迁移速率和载流子的浓度所决定。n型半导体的电导率a可表示为：
a=neμ
其中:n为电子浓度；μ为电子迁移率；a为电导率；e为电子电荷量。
通常情况下导电性好的本征半导体具有较窄的禁带宽度，一般不超过2 eV，带顶的电子跃迁到空带的过程可以通过热激发来实现。在外加电场的作用下，进入空带的电子，通过跳跃到较高能级而形成电流。由于TiO2具有较大的禁带宽度（3.0 eV，故可以将Nb原子作为溶质原子固溶到TiO2中形成掺杂型半导体。根据Nbs+和Ti4+的离子半径非常接近（Nbs+半径为0.078 nm，Ti4+半径为0.076 nm ）3g，故把Nbs+掺入到TiO2的晶格过程中进行晶格替换时，即使掺杂量较大，也不会引起晶格畸变。由于Nbs+和Ti4+价位不同，在Nbs+取代晶格位置的Ti4+过程中会产生一个额外电子，这个额外电子能够摆脱原子核的束缚成为自由电子，从理论上可以提高材料的导电性能。
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