當復合「兌現」成光
回到講接面的那一篇：當一個電子遇上一個電洞，它們發生復合，作為載流子雙雙消失。但能量從不會被銷毀——那麼電子的能量去哪兒了？電子從高能量的導帶跌落進一個低能量的空座位，它必須把這其中的差額甩出去。這份差額，大致就是它跨越的那道能隙的大小。
在某些材料裡，這份能量以一閃而過的熱的形式放出來，推擠著原子。但在合適的材料裡，它以一小份光的形式放出來——一個光子。每個發生復合的電子都能發出一個光子，而這個光子的顏色，由電子跌落的高度決定：能隙越大，跌落越深，光子能量越高、越偏藍；能隙越小，光子越偏紅。光，實實在在就是一次以顏色「兌現」出來的復合。
發光二極體：被吩咐去發光的接面
現在讓一個p-n接面工作在正向偏置——也就是講二極體那篇裡那個「順」的方向——於是電池不斷地從n側把新鮮電子推進來、從p側把新鮮電洞推進來。它們在中間相遇、復合，一次又一次，每一次配對都發出一個光子。結果就是一個發光二極體，即LED：一個你特意用發光材料造出來的二極體，於是它做著尋常的本職工作——讓電流朝正向流過——的同時，就發出光來。
這就是LED如此高效的原因。傳統燈泡靠把一根金屬絲燒到熾白來發光，大部分能量都白白變成了熱。LED跳過了熱這一步：它幾乎是直接把電能變成光子，一次復合變出一份光。這也正是為什麼LED的顏色如此純、如此固定——它被鎖定在所選材料的能隙上，而不像熾熱金屬絲的光那樣塗抹在所有顏色之間。
為什麼矽不發光——以及我們改用什麼
這裡有一個誠實的轉折：普普通通的矽，晶片之王，做起LED來卻*糟糕透頂*。出於一些藏在其能帶精細形狀裡的原因，矽幾乎總是把復合的能量當作熱甩掉，而不是當作光。所以你手機閃光燈裡的那個LED，根本不是矽做的。它是用化合物半導體做的——一種由兩種或更多元素結合而成的半導體，比如鎵和砷，或者鎵和氮。
化合物半導體是光的「調色盤」。靠挑選元素及其比例，工程師就能調出幾乎任何他們想要的能隙——從而調出幾乎任何顏色。紅光和紅外LED最先問世，來自鎵砷化合物。難啃的硬骨頭是藍光，它需要一個大能隙；上世紀九十年代攻克氮化鎵、造出明亮的藍光LED，重要到拿下了一座諾貝爾獎——因為紅、綠、藍湊齊，終於讓廉價的白光和全彩螢幕成為可能。
這種為了設定能隙而刻意挑選、調配材料的做法，有個名字：能隙工程。它是一門調控能量隙落在何處的藝術，目的是掌控顏色、效率，以及器件對光的響應方式。它絕非什麼旁門小技，而是整個現代電子學裡最有力的設計槓桿之一。
太陽能電池：把整個過程倒過來
LED把電變成光。把這套一模一樣的物理倒過來運行，你就把光變成了電。讓光照在一個p-n接面上。如果一個光子攜帶的能量至少有一道能隙那麼多，它就能被一個電子吞下、把電子踢過能隙——正是復合的逆過程。現在你有了一個獲得自由的電子，以及它留下的電洞：一對嶄新的載流子，徑直從一束光裡變了出來。
若是不管它，那個電子和電洞會徑直漂回去、重新合到一起。太陽能電池的精妙之處，就在於接面那道內建的勢壘——也就是講二極體時那座山坡。它在電子和電洞來得及復合之前，就把新生的電子掃向一邊、把新生的電洞掃向另一邊，把它們分別趕向兩端。用一段電路把兩端接起來，這些被分開的電荷就化作電流流動起來。陽光進來，電流出去，沒有任何運動的部件。
- 一個光子擊中接面，把一個電子提過能隙，造出一對電子-電洞。
- 內建勢壘在電子和電洞復合之前，就把它們掃向相反的兩側。
- 通過電路接起來後，被分開的電荷就以可用的電流流動。
選定能隙，就選定了取捨
對太陽能電池來說，能隙是一場權衡，而這裡有個誠實的矛盾。能隙*小*，連微弱的紅色光子都能被吸收，於是電池捕獲到更多陽光——可每個被釋放的載流子只帶走那一點小能隙那麼多的能量，電壓就很寒酸。能隙*大*，能給出強電壓，卻對所有低能量的光視而不見，任它直接穿過、白白浪費。真實的電池會選一個折中的能隙，好收穫最多的總功率，而矽恰好就落在那個甜點附近——這正是為什麼矽雖然是個無可救藥的*發光*體，卻是個出色的*吸光*體，統治著太陽能電池板。
於是這趟旅程合上了一個圓環。我們在第三篇裡搭起的那個一模一樣的p-n接面——靠摻雜、靠復合、靠一座內建的山坡——會變成二極體、電晶體、燈，還是發電廠，全只取決於我們怎樣運行它、選哪一道能隙。從一個誠實的想法——一道可調的小小能量隙——出發，竟接連出一整個技術文明。這，正是半導體物理核心處那份靜默的驚奇。