当复合「兑现」成光
回到讲结的那一篇：当一个电子遇上一个空穴，它们发生复合，作为载流子双双消失。但能量从不会被销毁——那么电子的能量去哪儿了？电子从高能量的导带跌落进一个低能量的空座位，它必须把这其中的差额甩出去。这份差额，大致就是它跨越的那道带隙的大小。
在某些材料里，这份能量以一闪而过的热的形式放出来，推搡着原子。但在合适的材料里，它以一小份光的形式放出来——一个光子。每个发生复合的电子都能发出一个光子，而这个光子的颜色，由电子跌落的高度决定：带隙越大，跌落越深，光子能量越高、越偏蓝；带隙越小，光子越偏红。光，实实在在就是一次以颜色「兑现」出来的复合。
发光二极管：被吩咐去发光的结
现在让一个p-n结工作在正向偏置——也就是讲二极管那篇里那个「顺」的方向——于是电池不断地从n侧把新鲜电子推进来、从p侧把新鲜空穴推进来。它们在中间相遇、复合，一次又一次，每一次配对都发出一个光子。结果就是一个发光二极管，即LED：一个你特意用发光材料造出来的二极管，于是它做着寻常的本职工作——让电流朝正向流过——的同时，就发出光来。
这就是LED如此高效的原因。传统灯泡靠把一根金属丝烧到炽白来发光，大部分能量都白白变成了热。LED跳过了热这一步：它几乎是直接把电能变成光子，一次复合变出一份光。这也正是为什么LED的颜色如此纯、如此固定——它被锁定在所选材料的带隙上，而不像炽热金属丝的光那样涂抹在所有颜色之间。
为什么硅不发光——以及我们改用什么
这里有一个诚实的转折：普普通通的硅，芯片之王，做起LED来却*糟糕透顶*。出于一些藏在其能带精细形状里的原因，硅几乎总是把复合的能量当作热甩掉，而不是当作光。所以你手机闪光灯里的那个LED，根本不是硅做的。它是用化合物半导体做的——一种由两种或更多元素结合而成的半导体，比如镓和砷，或者镓和氮。
化合物半导体是光的「调色盘」。靠挑选元素及其比例，工程师就能调出几乎任何他们想要的带隙——从而调出几乎任何颜色。红光和红外LED最先问世，来自镓砷化合物。难啃的硬骨头是蓝光，它需要一个大带隙；上世纪九十年代攻克氮化镓、造出明亮的蓝光LED，重要到拿下了一座诺贝尔奖——因为红、绿、蓝凑齐，终于让廉价的白光和全彩屏幕成为可能。
这种为了设定带隙而刻意挑选、调配材料的做法，有个名字：带隙工程。它是一门调控能量隙落在何处的艺术，目的是掌控颜色、效率，以及器件对光的响应方式。它绝非什么旁门小技，而是整个现代电子学里最有力的设计杠杆之一。
太阳能电池：把整个过程倒过来
LED把电变成光。把这套一模一样的物理倒过来运行，你就把光变成了电。让光照在一个p-n结上。如果一个光子携带的能量至少有一道带隙那么多，它就能被一个电子吞下、把电子踢过带隙——正是复合的逆过程。现在你有了一个获得自由的电子，以及它留下的空穴：一对崭新的载流子，径直从一束光里变了出来。
若是不管它，那个电子和空穴会径直漂回去、重新合到一起。太阳能电池的精妙之处，就在于结那道内建的势垒——也就是讲二极管时那座山坡。它在电子和空穴来得及复合之前，就把新生的电子扫向一边、把新生的空穴扫向另一边，把它们分别赶向两端。用一段电路把两端接起来，这些被分开的电荷就化作电流流动起来。阳光进来，电流出去，没有任何运动的部件。
- 一个光子击中结，把一个电子提过带隙，造出一对电子-空穴。
- 内建势垒在电子和空穴复合之前，就把它们扫向相反的两侧。
- 通过电路接起来后，被分开的电荷就以可用的电流流动。
选定带隙，就选定了取舍
对太阳能电池来说，带隙是一场权衡，而这里有个诚实的矛盾。带隙*小*，连微弱的红色光子都能被吸收，于是电池捕获到更多阳光——可每个被释放的载流子只带走那一点小带隙那么多的能量，电压就很寒酸。带隙*大*，能给出强电压，却对所有低能量的光视而不见，任它直接穿过、白白浪费。真实的电池会选一个折中的带隙，好收获最多的总功率，而硅恰好就落在那个甜点附近——这正是为什么硅虽然是个无可救药的*发光*体，却是个出色的*吸光*体，统治着太阳能电池板。
于是这趟旅程合上了一个圆环。我们在第三篇里搭起的那个一模一样的p-n结——靠掺杂、靠复合、靠一座内建的山坡——会变成二极管、晶体管、灯，还是发电厂，全只取决于我们怎样运行它、选哪一道带隙。从一个诚实的想法——一道可调的小小能量隙——出发，竟接连出一整个技术文明。这，正是半导体物理核心处那份静默的惊奇。