2.1.1 N型杂质

N型杂质为五价材料，其原子的最外层有5 个电子。将可控量的N型杂质 （具有5 个价电子） 渗入到硅或锗 （具有4个价电子） 中，会导致一个电子与母原子的连接松散，这是因为硅或锗原子内只需要4 个电子就可以形成共价键。当给施主电子施加少量能量 （如热能）时，即成为自由电子，留下带正电荷的施主原子的离子。在室温下，有足够的能量引起冗余电子脱离母原子，产生一个个自由电子。该电子可以在半导体晶体内随机地自由移动。因此，N型杂质为半导体提供自由电子，通常称为 “施主杂质”，渗入N型杂质所得到的材料称为N型半导体 （N为带负电荷的电子）。

施主电子获得足够的能量可以跃迁到导带，在晶体内自由移动。杂质原子最初呈电中性，冗余电子的跃迁使得杂质原子带正电荷 （等于+e），并被束缚在晶格中保持固定，如图2.1 （a） 所示。在图2.1 （b） 中，在完全离子化状态的N型半导体的能级，E_C是导带能级，E_D是施主能级，E_V是价带能级，E_Fi是本征费米能级。E_Fi决定电子的统计分布，其能级在E_C和E _v之间。

图2.1 N型半导体中带正电荷的电子和能带图

半导体材料和它们杂质材料的相对介电常数和有效质量是不同的。因此，它们具有不同的电离能。表2.1给出了在硅、锗、砷化镓半导体中的电离能。

表2.1 硅、锗和砷化镓中的电离能

小提示：

导带是由自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下，半导体的价带是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带——导带。

导带是半导体最外面 （能量最高） 的一个能带，是由许多准连续的能级组成的；是半导体的一种载流子——自由电子 （简称电子） 所处的能量范围。导带中往往只有少量的电子，大多数状态 （能级） 是空着的，则在外加作用下能够发生状态的改变，故导带中的电子能够导电，即为载流子。

导带底是导带的最低能级，可看成电子的势能，通常，电子就处于导带底附近；离开导带底的能量高度，则可看成电子的动能。当有外加电场作用到半导体两端时，电子的势能即发生变化，从而在能带图上表现出导带底发生倾斜；反过来，凡是能带发生倾斜的区域，就必然存在电场 （外电场或内建电场）。