半導體

半導體（semiconductor）介於導體與絕緣體之間，名字就是「半個導體」的意思。它會導電，但導得差、導得勉強，而精彩之處在於它的導電性可以被開關、調校與控制。矽是主角；鍺、砷化鎵、碳化矽等也是。這種可控性使每一顆晶片、太陽能電池、LED 與電晶體成為可能，因此半導體可說是現代最重要的一類材料。

它的能帶圖像和絕緣體一樣，只是能隙很小，矽只有約 1.1 eV，鍺只有 0.67 eV。這個能隙小到在室溫下就有相當數量的電子有足夠熱能，從價帶跳上導帶。每個離開的電子在身後也空出一個帶正電的「電洞（hole）」，上方的電子與下方的電洞都能載送電流。所以純半導體會導一點電，而這裡就是與金屬相反的誠實顛倒：加熱它反而導得更好，因為熱把更多載子送過那道小能隙。電阻率隨溫度下降，正好與導體相反。純矽的導電率約 10^-3 到 10^-4 S/m，在對數尺度上恰好落在銅與石英之間。

真正的魔法在於摻雜（doping）。每百萬個原子只加入幾個外來原子，磷來捐出電子、硼來接收電子，就能把導電率改變好幾個數量級，並決定載子主要是帶負電的電子（N 型）還是帶正電的電洞（P 型）。把一塊 N 型接上一塊 P 型，就得到 PN 接面（p-n junction），這是每個二極體與電晶體核心的單向閥。所以整座電子學大廈，是靠刻意而精確地「弄髒」一種原本平庸的導體建起來的。