1. Các bán dẫn thuần
Theo lí thuyết phân vùng năng lượng của vật chất, bề rộng vùng cấm của các chất bán dẫn có trị số khoảng 1 đến 3 eV.
Nguyên tố Thuộc nhóm (bảng tuần hoàn
hoá học của Memđêlêép) Bề rộng vùng cấm
Bo III 1,1 Silic IV 1,12 Giécmani IV 0,72 Phốtpho V 1,5 Asen V 1,2 Lưu huỳnh VI 2,5 Sêlen VI 1,7 Telua VI 0,36 Iốt VII 1,25
Theo sơ đồ năng lượng của bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T nào đó ở vùng bán dẫn đã có một vài điện tử chuyển qua và tạo nên vùng hoá trị một số lỗ trống. Vì với mỗi một sự chuyển dời điện tử trong bán dẫn đồng thời tạo ra hai hạt mang điện trái dấu, nên tổng số các hạt mang điện sẽ bằng hai lần số điện dẫn ở vùng điện tử.
Noi = Poi; noi + Poi =2noi
Chỉ số i ở nồng độ điện tử và lỗ trống –kí hiệu các hạt mang điện của bán dẫn thuần. Trong trường hợp này, điện dẫn suất bằng:
= enoiun + ePoiup
Do có cả quá trình kích thích và kết hợp, ở một nhiệt độ xác định nồng độ các hạt mang điện sẽ được cân bằng. Nồng độ điện tử sẽ là:
Noi = 2Ntde-w/2KT Và nồng độ sẽ bằng:
Ở đây W là bề rộng vùng cấm của bán dẫn; Ntd, Nht: số mức trong đơn vị thể tích của bán dẫn trong vùng tựu do (vùng dẫn) và vùng hoá trị. Hệ số 2 chỉ khả năng mỗi mức có thể có hai điện tử.
Độ linh hoạt của các điện tử và lỗ trống trong biểu thức trên ( = enoiun + ePoiup) không bằng nhau. Khi chuyển động trong trường của mạng tinh thể thì điện tử và lỗ trống có quán tính khác nhau nghĩa là chúng có khối lượng hiệu dụng mn và mp khác nhau. Thông thường mn<mp. Từ đó ta thấy rằng điện dẫn thuần của bán dẫn có đặc tính điện tử trội hơn một chút.
2. Bán dẫn tạp
Đa số các dụng cụ bán dẫn sử dụng trong kỹ thuật là bán dẫn tạp chất. Vì vậy trong thực tế chất bán dẫn mà nồng độ các hạt mang điện chỉ có giá trị đủ lớn ở nhiệt độ càng lớn càng tốt, nghĩa là bán dẫn có vùng cấm đủ lớn là loại có ý nghĩa quan trọng.
Trong khoảng nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp hạt dẫn điện tự do là tạp chất. Nếu các tạp chất trong chất bán dẫn thuần là các nguyên tử kim loại, thì các tạp chất trong bán dẫn hợp chất hoá học không phải chỉ là nguyên tử khác loại mà còn là nguyên tử thừa của chính nguyên tố có trong thành phần hoá học.
Ngoài ra tất cả các khuyết tật trong mạng tinh thể: nút khuyết, nguyên tử hay iôn nằm giữa các nút, biến vị hay lệch phát sinh khi biến dạng dẻo tinh thể, khe nứt vi mô… cũng được coi như tạp chất.
Nếu các tinh thể nằm ở nút của mạng tinh thể nó được gọi là tạp chất thế, nếu nằm ở giữa gọi là tạp chất xen kẽ. Những tạp chất có thể đưa điện tử vào dải dẫn hoặc lấy điện tử từ vùng hoá trị của chất bán dẫn – đây là tạp chất cho và nhận.
Hạt mang điện có nồng độ lớn hơn tronh chất bán dẫn gọi là hạt mang điện cơ bản, hạt có nồng độ nhỏ hơn là không cơ bản. Như vậy, trong bán dẫn loại n, điện tử là hạt mang điện cơ bản, lỗ mang điện không cơ bản. Trong bán dẫn loại p thì hạt dẫn điện cơ bản là lỗ, hạt không cơ bản là điện tử. Điện dẫn bán dẫn tạp đòi hỏi năng lượng tác động nhỏ hơn bán dẫn thuần (0,01 đến 0,10 eV), vì thế có thể tạo ra nó ở nhiệt độ thấp hơn so với bán dẫn thuần.
3. Tạp chất thế
Giécmani và silic là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Menđêlêép có cấu trúc kim cương, mỗi nguyên tửđược bao quanh bởi bốn nguyên tử lân cận; cấu trúc có liên kết cộng hoá trị.
Các nguyên tố ở nhóm III trong bảng tuần hoàn thuộc tạp chất nhận.
Mối tương quan về kích thước của các nguyên tử đóng vai trò quan trọng trong kết quả thay thế.
Ví dụ: nếu nguyên tử tạp chất Pb với kích thước lớn hơn nguyên tử In mà nó thay thế trong mạng InSb, thì Pb là tạp chất cho, nhưng thay thế cho nguyên tử Sb trong mạng AlSb, nó gọi là tạp chất nhận. Sự thay thế này không gây sự biến đổi rõ rệt về điện dẫn của các bán dẫn này.
4. Tạp chất xen kẽ
Loại điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào kích thước và tính điện âm của nguyên tử tạp chất được đưa vào khoảng giữa các nút mạng bán dẫn thuộc nhóm IV. Việc đưa nguyên tử Li có kích thước lớn vào giữa các nút sát nhaucủa mạng Ge chỉ có thể thực hiện sau khi iôn hoá nó do sự liên kết yếu điện tử hoá trị. Điện tử này dễ bức khỏi nguyên tử trong môi trường có hằng số điện môi lớn. Sự tạo thành các iôn li ti kích thước nhỏ hơn có thể đưa vào giữa các nút các nguyên tử oxi có kích thước tương đối nhỏ và tính điện âm lớn thì chúng chiếm điện tử của các nguyên tử bán dẫn, do đó tạo thành điện dẫn loại p.
Nếu dưới ảnh hưởng của tác dụng năng lượng, nguyên tử Si hay Ge bị di chuyển vào khoảng cách giữa các nút thì chúng tạo thành hai mức tạp chất: mức cho của nguyên tử ngoài nút và mức nhận của nút rỗng.