半导体掺杂

纯硅其实是相当差的导体——室温下只有涓涓细流般的电子能跨过它的能隙。然而硅却驱动着整个数字世界。让它脱胎换骨的诀窍是掺杂：刻意掺入极少量、受控的另一种元素，往往不过是百万个硅原子里掺一个外来原子。这一缕杂质就把电学行为改变了好几个数量级，它是整个固态电子学中最重要的一个观念。

硅有四个价电子、与四个邻居成键，把每个电子都用光了。现在用磷取代一个硅原子，磷有五个价电子。其中四个组成正常的键；第五个被剩下来，束缚松弛，很容易被提升进导带、在其中自由游走。这就是 n 型掺杂（n 代表负）：掺杂剂施予额外电子，成为多数载流子。或者，用只有三个价电子的硼取代一个硅。有一个键就缺了一个电子——一个空穴，价带里的一个空位。邻近电子能挪进这个空穴，于是空穴本身看上去就像一个正电荷载流子在移动。这就是 p 型掺杂（p 代表正）。两种情形下，掺杂剂都在能隙内部紧挨着创造出新的能级，于是产生载流子所需的能量远小于纯晶体。

掺杂之所以重要，是因为 n 型硅与 p 型硅之间的结，是一切电子器件的基本构件。把一块 p 区紧挨一块 n 区，你就有了只让电流单向流动的二极管；把它们叠成 n-p-n 或 p-n-p，你就有了晶体管——那种开关兼放大器，在一块芯片上复制几十亿次，就是每一台计算机和手机的基础。再加上光，一个 p-n 结就变成太阳能电池或 LED。所以，固体的抽象能带图景，加上刻意引入的少许缺陷，正是信息时代名副其实的基石。