半導體摻雜

純矽其實是相當差的導體——室溫下只有涓涓細流般的電子能跨過它的能隙。然而矽卻驅動著整個數位世界。讓它脫胎換骨的訣竅是摻雜：刻意摻入極少量、受控的另一種元素，往往不過是百萬個矽原子裡摻一個外來原子。這一縷雜質就把電學行為改變了好幾個數量級，它是整個固態電子學中最重要的一個觀念。

矽有四個價電子、與四個鄰居成鍵，把每個電子都用光了。現在用磷取代一個矽原子，磷有五個價電子。其中四個組成正常的鍵；第五個被剩下來，束縛鬆弛，很容易被提升進導帶、在其中自由游走。這就是 n 型摻雜（n 代表負）：摻雜劑施予額外電子，成為多數載流子。或者，用只有三個價電子的硼取代一個矽。有一個鍵就缺了一個電子——一個空穴，價帶裡的一個空位。鄰近電子能挪進這個空穴，於是空穴本身看上去就像一個正電荷載流子在移動。這就是 p 型摻雜（p 代表正）。兩種情形下，摻雜劑都在能隙內部緊挨著創造出新的能級，於是產生載流子所需的能量遠小於純晶體。

摻雜之所以重要，是因為 n 型矽與 p 型矽之間的結，是一切電子器件的基本構件。把一塊 p 區緊挨一塊 n 區，你就有了只讓電流單向流動的二極體；把它們疊成 n-p-n 或 p-n-p，你就有了電晶體——那種開關兼放大器，在一塊晶片上複製幾十億次，就是每一台電腦和手機的基礎。再加上光，一個 p-n 結就變成太陽能電池或 LED。所以，固體的抽象能帶圖景，加上刻意引入的少許缺陷，正是資訊時代名副其實的基石。