摻雜

摻雜（doping）是刻意在純半導體中加入極少量選定的外來原子，以控制其電性行為。這聽起來像是缺陷，你是故意污染一塊純淨晶體，但它是整個電子學中最重要的一招。一撮對的雜質，每百萬個原子幾個，就能把半導體的導電率提高數千或數百萬倍，並決定它主要靠電子還是電洞載送電流。

機制關乎清點價電子。矽有 4 個價電子，與四個鄰居整齊鍵結。用一個第五族原子如磷（有 5 個價電子）取代一個矽原子：四個進入鍵結，第五個被鬆散地掛著，很容易被釋放進導帶成為可移動的電子，這叫施體（donor），造出 N 型材料。用一個第三族原子如硼（只有 3 個價電子）取代一個矽原子：有一個鍵少了一個電子，形成一個電洞，鄰近的電子落進去因而移動，這叫受體（acceptor），造出 P 型材料。這樣摻雜的半導體稱為外質半導體（extrinsic），因為它的載子來自外來原子、而非熱躍遷。

摻雜的威力在於，它讓導電率成為你調進去的設計參數，而不是只能接受的性質。因為摻質幾乎免費供給載子（不需大能隙的跳躍），即使每百萬分之一的輕摻雜也徹底淹沒微弱的本質載子，使材料行為變得穩定可預測，而不再任溫度擺布。每個二極體、電晶體、太陽能電池與積體電路，都是靠在一塊晶體中圖案化出 N 型與 P 型摻雜區域而建成。誠實的提醒：摻雜濃度必須控制到極高精度，因為整個元件物理都取決於究竟有多少摻質原子、坐落在哪裡。