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图9.2：N型半导体（左）和P型半导体（右）中新引入的能级。
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图9.2的左侧展示了如果一片硅被磷污染会怎么样。污染的程度必须能被精确控制，而这非常重要。假设在纯硅晶中，每隔一段时间就移除一个原子，换上一个磷原子。磷原子恰好填进硅原子空出的位置上；唯一的区别是，磷比硅多一个电子。多余的电子与它的宿主原子结合很弱，但并不完全自由，因此其占据的能级略低于导带。在低温下，导带是空的，而磷原子施舍的电子位于图中的施主能级中。在室温下，硅中的电子-空穴对十分罕见，每兆个电子钟只有约一个能从晶格的热振动中获得足够的能量，从价带跳至导带。相反，由于磷中的施主电子与其宿主原子结合很弱，它很有可能从施主能级轻轻跃至导带。因此，在室温下，对于每一兆个硅原子掺杂水平高于一个磷原子的情形，导带就会被磷原子施舍的电子所主导。这意味着，只需改变磷污染的程度，就可以非常精确地控制可导电的迁移电子数量。由于在导带中游荡的电子可以承载电流，我们说这种被污染的硅是“N型”（N表示“带负电”）。
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而图9.2的右侧展示了如果我们转而用铝原子污染硅会怎么样。同样，铝原子也稀疏地撒在硅原子之间，它们也恰好填入本该由硅原子占据的空间中。与上一段中左侧图情形的区别是，铝原子比硅原子少一个电子。这就向原本的纯晶体中引入了空穴，类似于掺杂磷元素会引入电子。这些空穴位于铝原子附近，可以被邻近硅原子的价带电子跃起填充。“空穴被填充”的受主能级展示在了图中；因为硅的价带电子很容易跃入铝原子引入的空穴，可见它只比价带略高。在这种情况下，我们自然可以把电流看作是由空穴传播的，也正因如此，这种掺杂的硅被称为“P型”（P表示“带正电”）。如前所述，在室温下，铝掺杂的水平无须超过兆分之一，就能使电流由铝引入的空穴的运动所主导。
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到这里为止，我们只是简单地说，想要制造出一块能导电的硅，要么让磷原子施舍的电子在导带上航行，要么让铝原子捐献的空穴在价带中航行。这又有什么意义呢？
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图9.3指出了我们要利用这点做的事，图中我们将一块N型硅和一块P型硅连起来。起初，N型区域充溢着来自磷的电子，而P型区域充溢着来自铝的空穴。因此，N型区域的电子会扩散进入P型区域，而P型区域的空穴会扩散进入N型区域。这并没有什么神秘的；电子和空穴只是在两种材料的接面处氤氲扩散，就像墨水在浴缸中散开一样。但当电子和空穴向相反的方向扩散时，它们会留下净正电荷（N型区域）和净负电荷（P型区域）。由于“同性相斥”规则，电荷的这种堆积会阻遏进一步扩散，直到最终达到平衡，不再发生净扩散。
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图9.3：将一块P型跟一块N型半导体接触，形成接面。
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图9.3中的第二张图引导我们用电势的语言来思考这一点，它展示了电子在结附近的变化。在N型区域深处，接面的效应不显著，而由于接面处于平衡态[179]，所以没有电流流动。这说明，电势在这一区域是常数。再次明确，对我们来说，电势的作用只是让我们知道作用于电子和空穴的力。如果电势是平的，则就像放在平地上的球不会滚动一样，电子也不会移动。
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如果电势向下走，你可能猜想，放在下降电势附近的电子会“滚下山坡”。不巧的是，恰恰相反，下降的电势对电子而言是“上坡”；亦即，电子会流“上”山坡[180]。换言之，下降的电势对电子起到堤坝作用，而这就是我们在图中所画出的。由于早先的电子迁移，形成了负电荷的堆积，有一个力将电子推离P型区域。这个力阻止了电子从N型硅到P型硅的净迁移。用下降电势来表示电子的上坡过程，并不像看上去那么傻，因为从空穴的角度来看，就有意义了；亦即，空穴会自然地流下山坡。所以现在可以看到，我们也能正确地画出电势（即从左边高地到右边低地），阶跃的电势阻止了空穴逃离P型区域。
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第三张图展示了流水的类比。左边的电子可以并且愿意沿导线流下，但被屏障挡住了。类似地，P型区域的空穴也搁浅在屏障的另一侧；水的堤坝和阶跃电势只是同一件事情的两种不同说法。如果简单把一片N型硅和一片P型硅粘在一起，事情就如上述所说。实际上，把它们粘在一起的操作需要更加小心，不能简单地粘在一起，否则接面就阻止了电子和空穴自由地流向另一区域了。
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现在，如果我们把这个“PN结”（pn junction）连上电池，就会开始发生有趣的事情：我们可以提高或降低N型和P型区域之间的电势壁垒。如果降低P型区域的电势，就会让阶跃变得更陡峭，使得电子和空穴更难流过接面。但提升P型区域的电势（或降低N型区域的电势）就像是降低拦水的堤坝一样。顷刻之间，电子会从N型区涌向P型区，而空穴涌向相反方向。这样一来，PN结就可以用作二极管：它可以允许电流通过，但只能往一个方向。然而，二极管还不是我们的终极兴趣。
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图9.4：一个晶体管。
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图9.4描绘了一种改变世界的装置——晶体管。它展示了如果让一层P型硅被两层N型硅夹住会怎么样。之前对二极管的解释，在这里会对我们有帮助，因为思路基本上是一样的。电子从N型区域扩散至P型区域，而空穴向相反方向扩散，直至这种扩散被硅层接面两侧的电势阶跃所阻止。如果晶体管断路，这就好像有两个电子库被堤坝隔开，而一个满溢的空穴库位于中间。
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当我们对一侧的N型区和中间的P型区施加电压时，就会发生有趣的作用。施加正电压会使得左侧的台地上升（Vc单位）；同样，P型区的台地也会上升（Vb单位）。在中图中，我们用实线表明了这一点。这样安排电势，效果出人意料，电子因此涌过降低的中央堤坝，进入左侧的N型区域，形成瀑布（记住，电子“流上山坡”）。只要Vc大于Vb，电子流就是单向的，左侧的电子仍然不能流入P型区域。这些听起来可能平淡无奇，但我们刚刚描述的正是一个电子阀。通过对P型区域施加电压，就可以接通或断开电流。
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图9.5：晶体管的“管中水”类比。
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现在终于到了压轴——我们做好了准备，可以了解小小晶体管的完整潜能。图9.5再次利用与流水的类比，展示了晶体管的工作原理。“阀门关闭”的情形完全类似于没有电压施加在P型区域的情形。施加电压就相当于打开了阀门。在两根水管下方，也画出了通常用于表示晶体管的符号；只要稍加想象就能发现，它看起来甚至有点像阀门。
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图9.6：用水管和两个阀门（左）或者一对晶体管（右）制造的“与”门。要制造电脑，后者适合得多。
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用阀门和水管可以做什么呢？答案是，可以建造计算机。如果这些阀门和管道可以做得足够小，就能建造真正的计算机。图9.6示意地展示了如何用带有两个阀门的水管，来构造一种叫作“逻辑门”的东西。在图的左侧，水管的两个阀门都开启，水就可以从底部流出。在图的中间和右侧，水管都有一个阀门关闭；显然水不能从底部流出。笔者偷懒没有展示第四种可能，就是两个阀门都关闭。如果用数字“1”表示有水从底部流出，数字“0”表示没有；用数字“1”表示阀门开启，数字“0”表示阀门关闭，则可以将水管的四种结果（三种画出，一种没有）总结在方程“1与1=1”“1与0=0”“0与1=0”和“0与0=0”中。在这里，“与”是一种逻辑运算，这个词的用法是技术性的——刚才描述的水管和阀门系统叫作“与门”（AND gate）。与门接受两个输入（两个阀门的状态），得到输出“1”的唯一方法是输入一个“1”和另一个“1”。笔者希望在图中以电路表示、用两个串联的晶体管来建立与门的方法是清楚的。可以看出，只有当两个晶体管都开启（即在P型区域的电压Vb1和Vb2均为正）时，才可能通过电流，而这正是实现与门所需的。
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图9.7：用水管和两个阀门（左）或一对晶体管（右）制造的“或”门。