Механизм электропроводности полупроводников и диэлектриков примерно одинаков и качественно отличается от механизма электропроводимости проводников. Так, отличие полупроводника от проводника состоит не только в большем значении его удельного сопротивления, но и в иной зависимости этого сопротивления от температуры. Если при нагреве удельное сопротивление проводников увеличивается, то у полупроводников и диэлектриков оно уменьшается. При температуре, близкой к абсолютному нулю, удельное сопротивление проводников достигает малых значений, а их проводимость значительна или даже переходит в сверхпроводимость. Удельное сопротивление полупроводников при температурах, близких к абсолютному нулю, очень велико и приближается к удельному сопротивлению диэлектриков. Добавление примеси в чистый металл приводит к тому, что удельное сопротивление образующегося сплава (манганин, константан, нихром и др.) становится больше, чем удельные сопротивления отдельных компонентов. При добавлении примеси другого элемента в полупроводник его удельное сопротивление резко уменьшается. Сильно изменяется удельное сопротивление полупроводников также под влиянием внешнего электрического поля, при облучении светом или воздействии ионизированными частицами.
Полупроводниковые материалы имеют твердую кристаллическую структуру. При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, представляющих собой устройства для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, наиболее широко используют кремний, германий и арсенид галлия. К полупроводникам относят также селен, теллур, некоторые окислы, карбиды и сульфиды.
Электропроводность любого вещества обусловлена перемещением валентных электронов, осуществляющих перенос электрического заряда. В металле (проводнике) всегда имеются свободные электроны (электронный газ), которые в электрическом поле направленно перемещаются (электрический ток). В полупроводнике же все валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой. Пока существует такая связь, эти электроны не могут участвовать в переносе электрического заряда.
Для выяснения механизма электропроводности полупроводников рассмотрим некоторый объем кристаллической решетки германия, который (как и кремний) является элементом 4 группы Периодической системы элементов Менделеева[2]. На рис.1.11(a) кристаллическая структура германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, представлена в виде плоской решетки.
В кристалле атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки, их связь с другими атомами осуществляется посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки указывают на ковалентный характер связи, при которой каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам, при этом возникает связывающая атомы сила.

Энергическая диаграмма полупроводника (рис.1.11,б), показывает распределение электронов по энергетическим уровням валентной зоны, запрещенной зоны и зоны проводимости. Лишь те валентные электроны полупроводника, которые обладают энергией зоны проводимости, освобождаются от ковалентной связи с атомами и могут свободно перемещаться в кристалле. При отсутствии же в кристалле примесей атомов других элементов и при температуре абсолютного нуля все валентные электроны участвуют в межатомных связях, иначе говоря находятся на энергетических уровнях валентной зоны, и не могут принимать участие в процессе электропроводности.
Между валентной зоной с энергией электрона ее верхней границы Еv и зоной проводимости с энергией электрона ее нижней границы Ес находится запрещенная зона шириной ΔЕ=Ес-Еv (у германия ΔЕ=0,72 эВ, у кремния ΔЕ=1,12 эВ).Чтобы электрон мог освободиться от связи с атомом и стать свободным, он должен попасть в зону проводимости. Для перевода электрона в зону проводимости ему необходимо сообщить дополнительную энергию, равную или превышающую энергию запрещенной зоны. Источником такой энергии может быть теплота окружающей среды. Уже при комнатной температуре заметное число электронов кристалла полупроводника разрывает ковалентные связи, т.е., получая дополнительную энергию, преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости. Одновременно в валентной зоне образуется такое же число не заряженных электронами (ставших вакантными) энергетических уровней. Вакантный энергетический уровень в валентной зоне называют дыркой проводимости, а сам процесс образования пар электрон-дырка тепловой генерацией пар. В электрическом и магнитных полях дырка ведет себя как частица с положительным зарядом, равным по значению заряду электрона.
Возникающие носители заряда (электроны и дырки) в течении определенного времени, называемого временем жизни, приобретают некоторую свободу теплового хаотического перемещения в пределах своих зон, а затем происходит обратный процесс захвата электронов дырками. Процесс исчезновения электрона и дырки называют рекомбинацией.
Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля свободный от примесей и однородный кристалл полупроводника, имеющих два типа носителей заряда - электроны и дырки, приобретает способность проводить электрический ток. При этом плотность полного тока J=Jn+Jp, где Jn и Jp- плотности электронного и дырочного токов соответственно.
Общую электропроводность полупроводника, обусловленную генерацией, перемещением и рекомбинацией пар электрон - дырка, называют собственной электропроводностью, а сам полупроводниковый кристалл - собственным полупроводником. Собственная электропроводность обычно невелика. Причем как электронная, так и дырочная электропроводность обусловлена перемещением в полупроводнике только электронов. Однако в первом случае движутся электроны, находящиеся на энергетических уровнях зоны проводимости, в направлении, противоположном направлению электрического поля. Во втором случае перемещаются электроны валентной зоны, заполняя вакантные энергетические уровни (дырки), в направлении, противоположном перемещению дырок.
Значительно лучшей электропроводностью обладают примесные полупроводники, причем характер электропроводности зависит от примесного вещества.
Если в расплав предварительно очищенного германия внести примесь пятивалентного элемента (например, мышьяка), то при остывании расплава образуется кристалл, в некоторых узлах кристаллической решетки которого атомы мышьяка замещают атомы германия (рис.1.12, a). При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя валентными электронами соседних атомов германия, образуют систему ковалентных связей, пятый же электрон атома мышьяка оказывается избыточным.
Энергетический уровень примеси Ед (донорный уровень) лежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси (ΔЕд=Еc-Ед), и переходят в зону проводимости. Эти избыточные электроны могут теперь участвовать в электропроводности полупроводника. В узлах же кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно заряженные ионы. На рис.1.12,б показаны три таких положительных иона в виде прямоугольников. Если высвободившиеся избыточные электроны совершают хаотическое движение вблизи своих ионов, то микрообъем остается электронейтральным. При уходе электронов в более удаленные объемы оставшиеся ионы создают в микрообъеме кристалла положительный объемный заряд.
Поскольку ΔЕд << ΔЕ, то количество электронов, переходящих под действием тепловой или какой-либо другой энергии в зону проводимости с примесных уровней, значительно превышает количество электронов, переходящих в зону проводимости из валентной зоны, участвующих в процессе тепловой генерации пар. Следовательно, число электронов в полупроводнике с пятивалентной примесью превышает число дырок, концентрация которых в данном случае определяется собственной электропроводностью, и поэтому не изменилась. Такой примесный полупроводник с преобладающим числом свободных электронов называют полупроводником с электронной электропроводностью или электропроводностью n-типа, а саму примесь, способную отдавать валентные электроны, донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными - дырки.

Рассмотрим теперь случай, когда в кристалл германия добавляется примесь элемента 3 группы (например, индия), имеющего три валентных электрона (рис.1.13, a). При этом для комплектования ковалентных связей между атомом индия и соседними атомами германия одного электрона не хватает. Так как примесный уровень индия Еа (рис.1.13, б) лежит в запрещенной зоне вблизи валентной зоны, то достаточно очень небольшой энергии ΔЕа=Еа-Еv<< ΔЕ (например, за счет теплоты окружающей среды), чтобы электроны с верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие связи.

Следствием этого процесса является образование в валентной зоне вакантных энергетических уровней (дырок) и превращения атомов индия в отрицательные ионы, заряд которых начинает проявляться лишь при уходе дырок из микрообъема. При этом, очевидно, что такой примесный полупроводник обладает избыточным числом дырок, так как число электронов в зоне проводимости полупроводника по-прежнему определяется собственной электропроводностью.
Примесный полупроводник с преобладающим числом дырок называют полупроводником с дырочной электропроводимостью или электропроводностью p-типа (p-полупроводник), а примесь, добавление которой приводит к образованию избыточного числа дырок в валентной зоне - акцепторной. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны неосновными.