在导线与橡皮之间
想想台灯里的电线。铜芯乐于导电——它是金属，一种良导体。包在外面的橡胶套几乎什么都不导——它是绝缘体，一种良挡体。这就是我们每天遇到的两个极端：让电荷流过的东西，和把电荷彻底挡住的东西。而半导体两者都不是。它是那种尴尬的、介于中间的材料：导一点电，但不多——而这恰恰就是它的妙处所在。
最有名的半导体是硅，它是沙子的主要成分，也是几乎每一块电脑芯片的主料。单论它自己，一块完美的硅晶体在室温下其实是相当差的导体——更接近橡皮，而非铜。那为什么要拿一个三心二意的导体来搭建整个数字世界呢？因为，正如我们将在这条线索里看到的，半导体是这样一种导体：它的「导电与否」可以随意地开关、随意地调控。导线永远是导线；半导体却可以被吩咐成为什么。
为什么电流需要「挪动的空间」
电流不过是电子在挪动。可固体里的电子并不能想动就动——它得有一个空座位才能挪进去。想象一座电影院。如果每个座位都坐满了、门又锁上了，谁也挪不了；尽管满满都是人，整排座位却动弹不得。如果空座位很多，人们就能随意走动。导电正是如此：只有当电子有地方可去时，电荷才能流动。
在固体里，电子被允许的能量是一段段宽阔的范围、中间夹着空隙——就像好几排座位，之间隔着没有座位的地带。电子真正坐满的最上面那一排，叫做价带；紧挨在它上方、空着的那一排，叫做导带。在金属里，坐满的那排内部就有空座位，所以电子轻松就能挪动——这就是铜导电的原因。在绝缘体里，坐满的那排彻底满了，上方空着的那排又远在天边，根本没有挪动的余地。
带隙：一道坎，而非一堵墙
坐满的那排和上方空着的那排之间的那段空白，有个名字：带隙。它是一个电子要想一跃逃出坐满的那排、抵达上方那排空座位、从而终于能自由挪动，所必须攒够的能量。这道隙的大小，正是区分金属、半导体和绝缘体的关键。金属没有隙。绝缘体的隙极大——大到根本跳不过去。半导体的隙则小：是一道真实的坎，却是一道矮坎。
正因为这道隙很小，热的轻微抖动——室温下原子和电子从不真正静止——偶尔就足以把一个电子整个踢过去。数目不多，但确有一些。所以半导体到头来并非完美的挡体：总有一股细细的电子涓流不断跃过这道隙，正是这股涓流让它能导一点点电。把它捂热些，跨过去的电子就更多，于是它导得更多。这与金属恰好相反——金属一受热反而导得*更差*；这已经在暗示，我们面对的是某种真正不同的东西。
- 金属——没有隙；最上面那排座位空着一半，所以在任何温度下都强烈导电。
- 半导体——隙很小；少数电子跃过它，所以导电很弱，越热则导得越多。
- 绝缘体——隙很大；几乎没有东西能跃过，所以挡住电流。
空穴：那个仿佛活了的空座位
当一个电子跃过带隙、进入上方空着的那排时，它在下方那个原本坐满的排里留下了一个空座位。这个缺失的电子，比听上去要有用得多。如今旁边的电子可以滑进那个空座位——这又在*它*原来的位置上留下一个新的空座位——于是人群中的那个空缺就一路漂移了过去。我们把这个漂移的空座位当作一个真实的粒子来追踪，叫它空穴。
空穴并不是由实物构成的东西；它是电子的*缺席*。但它的行为如此一致，以至于物理学家把它当作一个独立的、带正电的载流子来看待——因为它的运动方式正像一个带正电的粒子。想想水中上升的气泡：气泡不过是缺了一团水，可它会移动、会携带能量，你还能指出它在哪。空穴就是气泡的电学版本。
有多少个搬运工？这正是我们想掌控的东西
一块半导体导电的好坏，归结为一个数字：有多少自由电子和空穴在四处游荡、搬运电荷。物理学家把它叫做载流子浓度——说白了，就是这些可移动的电荷搬运工挤得有多密。搬运工越多，电流越大。在一块纯净的晶体里，这个数字完全由温度和带隙的大小决定，而且它很小。
一块完全纯净的半导体——其中每一个载流子都只来自热把电子踢过带隙——叫做本征半导体；「本征」意思是这些载流子是纯材料自身固有的，没有任何外来帮忙。在本征材料里，上方自由电子的数目永远恰好等于下方留下的空穴数目，因为它们都源自同一次跳跃。这很干净、很整齐——而对于制造有用的器件来说，它单凭自己却几乎毫无用处，因为我们无法掌控那个载流子数目。
而这正是整条线索赖以展开的悬念。纯半导体令人懊恼地卡在中间，导着一点我们无法调节的微弱电流。真正的突破——开启了电子时代的那个把戏——在于：只要掺入一*丝*恰当的杂质，我们就能把载流子浓度抬高百万倍，并决定究竟是电子还是空穴来当搬运工。这个把戏，正是下一篇指南的主题。