又是陽光明媚的一天，在湛藍的天空之下，溫暖的春風悄悄撫摸著這一個微小又複雜的晶片。這片晶片就像一座大都市，以矽為主要成分的半導體們在這裡安居樂業，共同沐浴著春天的氣息，享受著這片大都市的繁榮。
而今天，這個大都市的民政局中來了一對情侶。其中一位身披硼衣，腳踏由空穴組成的洞洞鞋；另一位則身穿沾滿磷片的連衣裙，腳踩著迷幻般的電子雲。
民政局的窗臺上，一位工作熱源正熱情地招呼著他們，微笑著問道：“你們是來辦結婚證的嗎？”
那位身披硼衣的微微點了點頭，回答道：“是的。我是參雜了硼的P型半導體，叫做小硼；她是參雜了磷的N型半導體，名字是曉磷。我們打算在今日結婚，正式成為一對PN接面，從此永不分離，共同為晶片的二極體事業而奮鬥！”
工作熱源聽罷，便溫和地對他們說：“麻煩先拿個號吧~裡面請。”
回想在兩個小時前那熾熱的火爐中，曉磷正在襯底上忙碌地工作。這時，從氮化硼與矽的介面上擴散出來的小硼走了過來。當曉磷的手和小硼牽上時，她就感覺對方的空穴朝著自己的身體慢慢流了過來，而自己的電子也不由自主地向著對方流去，這彷彿是產生了愛的電流。從這一刻起，他和她都已經知道，他們命中註定了一輩子不分離。
為什麼小硼和曉磷會這麼有緣分呢？這還要從他們的前身——半導體的身世說起。
01
材料三兄弟，誰是半導體？
在材料物理的世界中，有這三兄弟：
大哥求賢若渴，廣納電流。他可以三顧電廬，聯結器件，只為利用自己體內流動的電子，在器件的兩端光復電勢，讓從電源流出的電流還於舊都。正是因為大哥仁慈、寬廣的胸懷，人們常常將他做成導線、線圈，並稱之為導體。
二哥義薄雲天，有勇有謀。他能導能阻，並不固守於歐姆定律，其電阻可以隨外界環境的各項引數而改變。但是在接受了少量雜質的感染之後，他就會對這種雜質重情重義，並且它的效能會因此發生很大的改變。二哥的人品實在太好了，以至於人們將他奉為“材聖”，並把他安放在許多重要的場合，如邏輯IC、儲存器，甚至是晶片當中。沒錯，二哥的名字就是半導體。
三弟生性莽撞，直截了當。無論在兩端加上多大的電勢差，他都會打打殺殺，抗爭到底。無論外界環境是高溫還是低溫，晴天還是雨天，他都不會允許任何一絲電流穿過他的身體。三弟就是我們日常生活中插頭外殼和電線外套等需要用到的絕緣體。
02
你在炒CP，半導體在炒NP
半導體一般有著上下兩個能帶，上面的叫做導帶(一般標記為C)，下面的叫做價帶(一般標記為V)。在絕對零度的時候，價帶中充滿著電子，而導帶中則沒有電子。隨著溫度升高，一小部分價帶中的電子(n)就會激發到導帶；而電子激發出去後在價帶留下的空位，叫做空穴(p)。半導體理論中不能炒CP，因為導帶中並沒有空穴這個概念。
如果你不在半導體中加上任何東西，那麼這塊半導體就是一塊本徵半導體。這時，電子和空穴的數量相等。
但是，如果你在半導體中加入一些VA族元素(比如說磷,P)，那麼由於這種雜質原子比矽(Si)這些IV族元素的原子多一個核外電子，因此磷原子在和周圍的矽原子牽手後，會多出一個電子。這個電子就會成為半導體中的自由電子，這使得半導體的導電效能大大增加。這種半導體，就是n型半導體。在能帶上看，導帶下面一點的位置會多出一個帶有電子的能帶，電子從這個能帶中可以更輕易地躍遷到導帶。
而如果你在半導體中加入一些IIIA族元素(比如說硼,B)，那麼由於這種雜質原子比矽(Si)這些IV族元素的原子少一個核外電子，因此硼原子在和周圍的矽原子牽手時，會有一個手牽不上，那隻牽不上的手就是一個空穴。這個空穴出現後，周圍就會有一個電子補進這個空穴，而這個電子原來的位置又會變成一個空穴。這個過程連續下來，就形成了一個會流動的空穴，這也使得半導體的導電性大大增加。這種半導體，就是p型半導體。在能帶上看，價帶上面一點的位置會多出一個空蕩蕩的能帶，價帶的一些電子會跑到這個能帶上，從而在價帶中留下空穴。
左圖為n型半導體，右圖為p型半導體
03
NP結合，就是最強CP
如果一塊n型半導體和一塊p型相互接觸，會變成什麼呢？
首先，n型半導體中的電子會向p型半導體湧來，p型半導體中的空穴也會向n型半導體跑去。那一刻，他們之間形成了強大的電流，讓他們難分難捨，形影不離。這，就是n、p之間的熱戀期。
後來，兩塊半導體的情緒都穩定了下來。他們相互接觸的那個位置上，流動的電子和空穴都被電場掃了出去，只剩下固定的正電荷和負電荷。這個接觸的位置，就是空間電荷區。而兩塊半導體連線的整整一塊區域，就叫做pn結。
NP雙方互有差異，但是接觸後他們會互相遷就，讓彼此的費米能級(上圖(3)中的虛線)相互平等。因此，pn結中的能帶會彎曲。
正是這個彎曲，讓pn結具有單向導電性。當加上正向電壓後，能到彎曲度減小，電子和空穴又可以重新移動，這時pn結處於導通的狀態；而加上反向電壓時，能帶彎曲加大，使得電子和空穴都被阻擋在了彎曲處的兩邊，彼此不相往來，這時pn結處於截止的狀態。能屈能伸，令行禁止，這正是這對最強CP的魅力所在。
pn結電流隨兩端電壓的變化曲線
你還可以導通的pn結記作“1”，將截止的pn結記作“0”；而世界中紛雜的資料，不就是由許許多多的“1”和“0”所組成的嗎？儲存資料的晶片，其實本質上就是由一個個pn結所組成的。無論是五彩斑斕的圖片，還是繪聲繪色的影片；無論是娓娓動人的電影，還是火光四濺的手遊；無論是變化多端的影象，還是九曲十八彎的演算法。它們本質上，就是晶片中的一對對pn情侶造就的虛擬世界，是無數個半導體CP愛情的美好印證。
小編寄語：總有人會讓你知道，你原來可以如此勇敢，而這個人可能就在你身邊一直等著你發現，推倒那堵牆，你就建立起了屬於自己的pn結！加油！！
原標題：“半導體們脫單啦！單身狗們，你酸了嗎？”
原文已做部分修改
來源：科普並不巨
編輯：just_iu
