掺杂半导体
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你手机和电脑里的每一块芯片，都建立在一种就其本身而言对电子学几乎无用的材料之上：纯硅几乎不导电。把它点化成数字时代心脏的魔法，是掺杂——有意地拌入微量的另一种元素，每百万个原子里掺几个，来精确控制材料如何承载电流。这是整个材料化学中最具影响力的思想之一，它建立在固体能带理论之上。
在一块纯硅晶体里，每个硅原子与邻居共享四个电子，没有多余的电荷可供移动——它的电子把一条能级带完全填满，上方隔着一道能隙才是下一条空带。要把它掺成 n 型，你偶尔用一个有五个价电子的原子（如磷）去替换硅（硅有四个价电子）；那第五个电子没有可容身的键、被松松地攥着，可以自由游荡、承载负电流（n 即 negative，负）。要把它掺成 p 型，你换上一个只有三个价电子的原子（如硼）；这下少了一个电子、留下一个空穴，邻近键上的电子可以跳进去，于是这个空穴像一个正电荷载流子一样移动（p 即 positive，正）。用能带的语言说，施主在空的导带正下方添了一批已填能级，受主在满的价带正上方添了一批空能级，两者都让电荷大大更易于流动起来。
掺杂半导体之所以重要，是因为把一块 p 型区与一块 n 型区接在一起，就得到一个只让电流单向通过的结——二极管——把这些堆叠起来便得到晶体管、太阳能电池和发光二极管，即一切现代器件的基石。一句老实话：掺杂浓度小得惊人（常是百万分之几乃至更少），却把电导率改变了好几个数量级，这恰恰是半导体制造为何要求几近不可想象的纯度和精度。还有，标签可能误导：一块 n 型晶体整体上仍然电中性——n 和 p 描述的是承载电流的可动电荷是哪一种，而非材料带有净电荷。
每一百万个硅原子里掺入约一个磷原子，晶体就变成 n 型半导体，其电导率是纯硅的成千上万倍——一点点杂质，带来巨大的效果。
百万分之几的掺杂剂，就能让电导率改变好几个数量级。
n 型和 p 型并不意味着晶体带负电或正电——它整体仍是电中性的；这两个字母描述的是承载电流的是可动电子还是空穴。