半导体与掺杂
先问一个几乎没人会问的问题：为什么现代社会最重要的材料，竟然是沙子做的？纯硅——海滩和玻璃的原料——处在一个很奇妙的中间地带。一根铜线是导体：电流穿过它，就像水流过一根敞开的水管。一只橡胶手套是绝缘体：它挡住电流，就像一堵封死的墙挡住水。硅两头都不是。它单独存在时几乎完全不导电，这听起来毫无用处——直到你意识到，「几乎导电、但又差那么一点」恰恰就是那种你能开、能关的特性。
这种处在中间的材料叫作半导体，让它真正活过来的诀窍是掺杂：你故意往里掺进一丁点别的元素——百万个原子里掺几个——来扭转硅传导电荷的方式。掺进一种多带一个电子的元素，你就得到 n 型硅，里面塞满了随时准备四处游走的松散负电荷。掺进一种缺一个电子的元素，你就得到 p 型硅，里面布满空位——物理学家管这些空位叫「空穴」——它们就像一个个朝相反方向漂移的小正电荷。同样的沙子，两种截然相反的性格，全由你撒进去的东西决定。
PN 结，于是有了二极管
现在来做个再自然不过的实验：拿一块 p 型硅和一块 n 型硅，把它们边对边贴在一起。它们相接的那条边界叫作 PN 结，就在那里，会悄悄发生一件了不起的事。n 那一侧的松散电子游荡过来，掉进 p 那一侧等着的空穴里，就像一颗颗弹珠滚进旁边的杯子。混合一阵之后，边界这一带的自由电荷被掏空了，进入一种对峙状态——形成一条薄薄的「禁区」，抵抗任何进一步的穿越。
接下来是回报。往一个方向推电流，那条「禁区」就塌缩，让电流汹涌通过。往另一个方向推，禁区就变得更宽，把门狠狠关上。你就这样造出了一个电的单向阀——二极管。它像一道只能朝前转的旋转闸门，让电流朝一个方向通过，朝另一个方向则被挡住。仅仅是把掺杂过的沙子这么一拼——几乎像是个意外——就长出了之后一切电子器件的种子。把这个结搞懂，你就推开了通往整个领域的那扇门。
MOSFET 场效应管
单向门很有用，但真正的宝贝是一扇你说开就开、说关就关的门——一个没有任何活动部件的开关。这就是晶体管，而今天几乎每一块芯片里跑着的那种，叫作 MOSFET。把它想象成一根横躺在硅片上的花园水管。一头是源极，电荷从这儿进来；另一头是漏极，电荷从这儿出去。两者之间有一段硅，叫作沟道——就是水必须流经的那段水管。而紧贴在沟道上方、隔着一层超薄绝缘层悬在那里的，是一个叫作栅极的控制端。
奇妙之处在这里：栅极从不碰沟道，却隔着一根头发丝的距离把它管得死死的。给栅极加上一个电压，它的电场就穿过绝缘层伸下去，把电荷拉进沟道——拧开了水龙头，电流于是从源极流向漏极。把电压撤掉，沟道清空，龙头关上，电流停住。没有杠杆，没有弹簧，没有磨损：只是一个电场，把一条通路开了又关。这就像一个水龙头，你不是靠拧把手来开关，而仅仅是把一块磁铁凑近就行。
- 它有两种类型，互为镜像：n 型 MOSFET 在你把栅极电压升高时导通；p 型 MOSFET 在你把栅极电压降低时导通。触发条件相反，思路一样。
- 正因为没有任何东西在物理上移动，它每秒能开关上十亿次，却永远不会磨损。
- 又因为它不过是硅里刻出来的几块图案区域，它可以被缩小到几纳米——小到能把上十亿个塞进一块指甲盖大小的芯片上。
CMOS——把它们配成对来省电
单个 MOSFET 开关听上去很完美——直到你造出十亿个，还想用一块电池把它们都喂饱。如果一个开关哪怕只是闲坐着、维持着一个数值时也漏出一丝丝电流，把这丝丝乘以十亿，你的手机就成了一个揣在兜里的暖手宝，撑不到午饭就没电了。解决办法是整个工程学里最优雅的点子之一，它有个你到处都会见到的名字：CMOS，是「互补型 MOS」的简称。
它的点子是把这两种类型当成一支队伍来用。把一个 n 型和一个 p 型 MOSFET 配成一对，接成互补的触发方式——把其中一个打开的信号，恰好会把另一个关上，反之亦然。妙就妙在：这一对里总有一个是关着的。从电源到地，永远不存在一条直通的敞开通路，所以当开关只是稳稳维持着状态时，几乎没有电流流过，几乎不浪费功率。只有在它从一种状态翻到另一种状态的那一瞬间，这一对才会飞快地嘬一小口能量。