半導體與摻雜
先問一個幾乎沒人會問的問題：為什麼現代社會最重要的材料，竟然是沙子做的？純矽——海灘和玻璃的原料——處在一個很奇妙的中間地帶。一根銅線是導體：電流穿過它，就像水流過一根敞開的水管。一隻橡膠手套是絕緣體：它擋住電流，就像一堵封死的牆擋住水。矽兩頭都不是。它單獨存在時幾乎完全不導電，這聽起來毫無用處——直到你意識到，「幾乎導電、但又差那麼一點」恰恰就是那種你能開、能關的特性。
這種處在中間的材料叫作半導體，讓它真正活過來的訣竅是摻雜：你故意往裡摻進一丁點別的元素——百萬個原子裡摻幾個——來扭轉矽傳導電荷的方式。摻進一種多帶一個電子的元素，你就得到 n 型矽，裡面塞滿了隨時準備四處游走的鬆散負電荷。摻進一種缺一個電子的元素，你就得到 p 型矽，裡面佈滿空位——物理學家管這些空位叫「電洞」——它們就像一個個朝相反方向漂移的小正電荷。同樣的沙子，兩種截然相反的個性，全由你撒進去的東西決定。
PN 接面，於是有了二極體
現在來做個再自然不過的實驗：拿一塊 p 型矽和一塊 n 型矽，把它們邊對邊貼在一起。它們相接的那條邊界叫作 PN 接面，就在那裡，會悄悄發生一件了不起的事。n 那一側的鬆散電子遊蕩過來，掉進 p 那一側等著的電洞裡，就像一顆顆彈珠滾進旁邊的杯子。混合一陣之後，邊界這一帶的自由電荷被掏空了，進入一種對峙狀態——形成一條薄薄的「禁區」，抵抗任何進一步的穿越。
接下來是回報。往一個方向推電流，那條「禁區」就塌縮，讓電流洶湧通過。往另一個方向推，禁區就變得更寬，把門狠狠關上。你就這樣造出了一個電的單向閥——二極體。它像一道只能朝前轉的旋轉閘門，讓電流朝一個方向通過，朝另一個方向則被擋住。僅僅是把摻雜過的矽這麼一拼——幾乎像是個意外——就長出了之後一切電子元件的種子。把這個接面搞懂，你就推開了通往整個領域的那扇門。
MOSFET 場效電晶體
單向門很有用，但真正的寶貝是一扇你說開就開、說關就關的門——一個沒有任何活動部件的開關。這就是電晶體，而今天幾乎每一塊晶片裡跑著的那種，叫作 MOSFET。把它想像成一根橫躺在矽片上的花園水管。一頭是源極，電荷從這兒進來；另一頭是汲極，電荷從這兒出去。兩者之間有一段矽，叫作通道——就是水必須流經的那段水管。而緊貼在通道上方、隔著一層超薄絕緣層懸在那裡的，是一個叫作閘極的控制端。
奇妙之處在這裡：閘極從不碰通道，卻隔著一根頭髮絲的距離把它管得死死的。給閘極加上一個電壓，它的電場就穿過絕緣層伸下去，把電荷拉進通道——擰開了水龍頭，電流於是從源極流向汲極。把電壓撤掉，通道清空，龍頭關上，電流停住。沒有槓桿，沒有彈簧，沒有磨損：只是一個電場，把一條通路開了又關。這就像一個水龍頭，你不是靠擰把手來開關，而僅僅是把一塊磁鐵湊近就行。
- 它有兩種類型，互為鏡像：n 型 MOSFET 在你把閘極電壓升高時導通；p 型 MOSFET 在你把閘極電壓降低時導通。觸發條件相反，思路一樣。
- 正因為沒有任何東西在物理上移動，它每秒能開關上十億次，卻永遠不會磨損。
- 又因為它不過是矽裡刻出來的幾塊圖案區域，它可以被縮小到幾奈米——小到能把上十億個塞進一塊指甲蓋大小的晶片上。
CMOS——把它們配成對來省電
單個 MOSFET 開關聽上去很完美——直到你造出十億個，還想用一塊電池把它們都餵飽。如果一個開關哪怕只是閒坐著、維持著一個數值時也漏出一絲絲電流，把這絲絲乘以十億，你的手機就成了一個揣在兜裡的暖手寶，撐不到午飯就沒電了。解決辦法是整個工程學裡最優雅的點子之一，它有個你到處都會見到的名字：CMOS，是「互補式 MOS」的簡稱。
它的點子是把這兩種類型當成一支隊伍來用。把一個 n 型和一個 p 型 MOSFET 配成一對，接成互補的觸發方式——把其中一個打開的訊號，恰好會把另一個關上，反之亦然。妙就妙在：這一對裡總有一個是關著的。從電源到地，永遠不存在一條直通的敞開通路，所以當開關只是穩穩維持著狀態時，幾乎沒有電流流過，幾乎不浪費功率。只有在它從一種狀態翻到另一種狀態的那一瞬間，這一對才會飛快地嘬一小口能量。