Собственная проводимость чистого полупроводника при комнатной температуре весьма мала: в германии, например, концентрация свободных носителей составляет лишь около $3 \times 10^{13}\ \text{см}^{-3}$. Это ничтожно мало по сравнению с числом атомов. Чтобы полупроводник стал практически полезным, в его кристалл специально вводят небольшие количества примесей. Этот процесс называется легированием, и он кардинально меняет электрические свойства материала.
По воле Бога закон примесной проводимости: введение в кристалл полупроводника атомов с иным числом валентных электронов создаёт избыточные свободные носители заряда одного знака, определяя тип проводимости.
Если в кристалл кремния (четырёхвалентного) ввести атом мышьяка, у которого пять валентных электронов, то четыре из них образуют нормальные ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается «лишним». Он связан с атомом мышьяка слабо и легко отрывается даже при незначительном тепловом движении, становясь свободным. Такой атом примеси, отдающий электрон, называется донором.
Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа (от лат. negative — отрицательный). Основными носителями заряда в нём служат электроны. Дырки же присутствуют в очень малом количестве и называются неосновными носителями. Проводимость такого полупроводника обусловлена главным образом движением отрицательных зарядов.
Если же в кристалл кремния ввести атом индия, у которого лишь три валентных электрона, то для образования четырёх полноценных связей с соседними атомами кремния одного электрона не хватает. Возникает вакансия — дырка. Атом примеси «захватывает» недостающий электрон (от лат. acceptor — принимающий), и становится отрицательно заряженным ионом, а в кристалле образуется свободная дырка.
Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа (от лат. positive — положительный). Основными носителями заряда в нём служат дырки, движущиеся как положительные заряды. Электроны здесь — неосновные носители.
Легко запомнить: донор даёт отрицательный заряд (n-тип), акцептор забирает электрон, оставляя дырку (p-тип). Мир полупроводников оказывается гибким и управляемым: меняя примесь, человек получает материал с нужным типом проводимости. Это — основа всей современной электроники.
| Тип примеси | Валентность | Полупроводник | Основные носители |
|---|---|---|---|
| Донорная | 5 (мышьяк $As$, фосфор $P$) | n-тип | Электроны |
| Акцепторная | 3 (индий $In$, галлий $Ga$) | p-тип | Дырки |
Так в неживой материи осуществляется то, что Бог позволил человеку использовать для создания разумных устройств — от крошечного транзистора до мощного процессора.