念念不忘，必有回响，半导体都遇到爱情啦！你呐？

中科院物理所今天

又是阳光明媚的一天，在湛蓝的天空之下，温暖的春风悄悄抚摸着这一个微小又复杂的芯片。这片芯片就像一座大都市，以硅为主要成分的半导体们在这里安居乐业，共同沐浴着春天的气息，享受着这片大都市的繁荣。

而今天，这个大都市的民政局中来了一对情侣。其中一位身披硼衣，脚踏由空穴组成的洞洞鞋；另一位则身穿沾满磷片的连衣裙，脚踩着迷幻般的电子云。

民政局的窗台上，一位工作热源正热情地招呼着他们，微笑着问道：“你们是来办结婚证的吗？”

那位身披硼衣的微微点了点头，回答道：“是的。我是参杂了硼的P型半导体，叫做小硼；她是参杂了磷的N型半导体，名字是晓磷。我们打算在今日结婚，正式成为一对PN结，从此永不分离，共同为芯片的二极管事业而奋斗！”

工作热源听罢，便温和地对他们说：“麻烦先拿个号吧~里面请。”

回想在两个小时前那炽热的火炉中，晓磷正在衬底上忙碌地工作。这时，从氮化硼与硅的界面上扩散出来的小硼走了过来。当晓磷的手和小硼牵上时，她就感觉对方的空穴朝着自己的身体慢慢流了过来，而自己的电子也不由自主地向着对方流去，这仿佛是产生了爱的电流。从这一刻起，他和她都已经知道，他们命中注定了一辈子不分离。

为什么小硼和晓磷会这么有缘分呢？这还要从他们的前身——半导体的身世说起。

材料三兄弟，谁是半导体？

在材料物理的世界中，有这三兄弟：

大哥求贤若渴，广纳电流。他可以三顾电庐，联结器件，只为利用自己体内流动的电子，在器件的两端光复电势，让从电源流出的电流还于旧都。正是因为大哥仁慈、宽广的胸怀，人们常常将他做成导线、线圈，并称之为导体。

二哥义薄云天，有勇有谋。他能导能阻，并不固守于欧姆定律，其电阻可以随外界环境的各项参数而改变。但是在接受了少量杂质的感染之后，他就会对这种杂质重情重义，并且它的性能会因此发生很大的改变。二哥的人品实在太好了，以至于人们将他奉为“材圣”，并把他安放在许多重要的场合，如逻辑IC、储存器，甚至是芯片当中。没错，二哥的名字就是半导体。

三弟生性莽撞，直截了当。无论在两端加上多大的电势差，他都会打打杀杀，抗争到底。无论外界环境是高温还是低温，晴天还是雨天，他都不会允许任何一丝电流穿过他的身体。三弟就是我们日常生活中插头外壳和电线外套等需要用到的绝缘体。

你在炒CP，半导体在炒NP

半导体一般有着上下两个能带，上面的叫做导带(一般标记为C)，下面的叫做价带(一般标记为V)。在绝对零度的时候，价带中充满着电子，而导带中则没有电子。随着温度升高，一小部分价带中的电子(n)就会激发到导带；而电子激发出去后在价带留下的空位，叫做空穴(p)。半导体理论中不能炒CP，因为导带中并没有空穴这个概念。

如果你不在半导体中加上任何东西，那么这块半导体就是一块本征半导体。这时，电子和空穴的数量相等。

但是，如果你在半导体中加入一些VA族元素(比如说磷,P)，那么由于这种杂质原子比硅(Si)这些IV族元素的原子多一个核外电子，因此磷原子在和周围的硅原子牵手后，会多出一个电子。这个电子就会成为半导体中的自由电子，这使得半导体的导电性能大大增加。这种半导体，就是n型半导体。在能带上看，导带下面一点的位置会多出一个带有电子的能带，电子从这个能带中可以更轻易地跃迁到导带。

而如果你在半导体中加入一些IIIA族元素(比如说硼,B)，那么由于这种杂质原子比硅(Si)这些IV族元素的原子少一个核外电子，因此硼原子在和周围的硅原子牵手时，会有一个手牵不上，那只牵不上的手就是一个空穴。这个空穴出现后，周围就会有一个电子补进这个空穴，而这个电子原来的位置又会变成一个空穴。这个过程连续下来，就形成了一个会流动的空穴，这也使得半导体的导电性大大增加。这种半导体，就是p型半导体。在能带上看，价带上面一点的位置会多出一个空荡荡的能带，价带的一些电子会跑到这个能带上，从而在价带中留下空穴。

左图为n型半导体，右图为p型半导体

NP结合，就是最强CP

如果一块n型半导体和一块p型相互接触，会变成什么呢？

首先，n型半导体中的电子会向p型半导体涌来，p型半导体中的空穴也会向n型半导体跑去。那一刻，他们之间形成了强大的电流，让他们难分难舍，形影不离。这，就是n、p之间的热恋期。

后来，两块半导体的情绪都稳定了下来。他们相互接触的那个位置上，流动的电子和空穴都被电场扫了出去，只剩下固定的正电荷和负电荷。这个接触的位置，就是空间电荷区。而两块半导体连接的整整一块区域，就叫做pn结。

NP双方互有差异，但是接触后他们会互相迁就，让彼此的费米能级(上图(3)中的虚线)相互平等。因此，pn结中的能带会弯曲。

正是这个弯曲，让pn结具有单向导电性。当加上正向电压后，能到弯曲度减小，电子和空穴又可以重新移动，这时pn结处于导通的状态；而加上反向电压时，能带弯曲加大，使得电子和空穴都被阻挡在了弯曲处的两边，彼此不相往来，这时pn结处于截止的状态。能屈能伸，令行禁止，这正是这对最强CP的魅力所在。

pn结电流随两端电压的变化曲线

你还可以导通的pn结记作“1”，将截止的pn结记作“0”；而世界中纷杂的数据，不就是由许许多多的“1”和“0”所组成的吗？存储数据的芯片，其实本质上就是由一个个pn结所组成的。无论是五彩斑斓的图片，还是绘声绘色的视频；无论是娓娓动人的电影，还是火光四溅的手游；无论是变化多端的图像，还是九曲十八弯的算法。它们本质上，就是芯片中的一对对pn情侣造就的虚拟世界，是无数个半导体CP爱情的美好印证。