所有的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，而原子又是由電子、質(zhì)子和中子組成。在這一節(jié)，你將會(huì)學(xué)習(xí)到有關(guān)原子的結(jié)構(gòu)(atomic structure)，電子軌道和能階理論，價(jià)電子，離子和兩種半導(dǎo)體材料——硅和鍺。半導(dǎo)體材料是很重要的，因?yàn)樵觾?nèi)部某些電子的形態(tài)，決定該材料如何傳導(dǎo)電流。
    在學(xué)完本節(jié)內(nèi)容后，休應(yīng)該能夠：參與討論原子的基本結(jié)構(gòu)；定義出原子核、質(zhì)子、中子和電子；說明元素的原子序數(shù)；說明電子的能階；說明何謂價(jià)電子；說明離子化現(xiàn)象；說明何謂自由電子。
    原子是能夠保持元素特性的最小粒子。已知的109種元素都擁有原子，而且每個(gè)元素的原子與別的元素都不相同。這使得每一種
元素都擁有唯一獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)。依照古典玻爾的模型， R02115原子擁有一種像星體運(yùn)行的結(jié)構(gòu)，原子中心是原子核而周圍是按照軌道并按軌道運(yùn)行的電子，如圖1.1所示。原子核是由帶正電荷的粒子（稱為質(zhì)子）和不帶電荷的粒子（中子）所組成。帶負(fù)電的基本粒子稱為電子。

                      
    每一種原子都擁有一定數(shù)目的電子和質(zhì)子，而且與其他元素的原子都不相同。例如，最簡(jiǎn)單的原子就是氫原子，只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，如圖1.2(a)所示。另一個(gè)例子就是氦原子，如圖1.2(b)所示，原子核有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，另有兩個(gè)電子圍繞著該原子核運(yùn)行。

                 
    1.原子序數(shù)
    所有元素在周期表上都是按照原子序數(shù)排列。原子序數(shù)( atomic number)等于原子核申質(zhì)子的數(shù)目，也等于電平衡（電中性）時(shí)原子所擁有的電子數(shù)目。例如，氫的原子序數(shù)是1而氦的原子序數(shù)是2。在正常（中性）情況下，元素的所有原子都擁有相同數(shù)目的質(zhì)子與電子；正電荷就會(huì)與負(fù)電荷互相抵消，于是原子就不帶任何凈電荷。
    2. 電子能階層和軌道
    電子繞著與原子核某些特定距離的軌道運(yùn)行。電子越接近原子核，則它所具有的能量較遠(yuǎn)離原子核的電子能量越低。我們知道在原子結(jié)構(gòu)中，電子只擁有分散且特定的能量。因此，電子必須繞著幾個(gè)離原子核特定距離的軌道(orbit)運(yùn)行。
    每個(gè)距原子核特定的距離（軌道）就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)能階。在原子內(nèi)，這些軌道會(huì)分群歸納為數(shù)個(gè)能量帶，稱為能階層。原子都具有固定數(shù)目的能階層。每個(gè)能階層在允許的能階上（軌道），都只能容納一定上限數(shù)目的電子。在同一個(gè)能階層內(nèi)的能階之間存在的能量差，遠(yuǎn)小于能階層之間的能量差。能階層按照1、2、3…順序編號(hào)，能階層1最接近原子核。能階層也有用K、L、M--等字母編號(hào)，能階層K最接近原子核。在圖1.3中，說明這種能階層的觀念，圖中顯示出第一個(gè)能階層含有一個(gè)能階，而第二個(gè)能階層含有兩個(gè)能階。依照不同的元素，不同形態(tài)的原子就存在著不同數(shù)目的能階層。

                                    
    3. 價(jià)電子
    遠(yuǎn)離原子核軌道的電子具有較高的能量，比較接近屎子核的電子所受到的束縛力較大。這是由于帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子之間的吸引力，隨著與原子核之間距離的增加而減小。具有最高能量的電子都位于最外層的能階層，相對(duì)地受到原子的束縛力也較少。這個(gè)最外的能量層就是所謂的價(jià)能階層( va-lence shell)，而位于此能量層的電子稱為價(jià)電子(valence electrons)。這些價(jià)電子促成化學(xué)反應(yīng)和材料結(jié)構(gòu)中的鍵結(jié)( bonding)構(gòu)成，因此決定了材料的電特性。
    4.離子化
    當(dāng)原子從熱源或光源吸收能量后，電子的能量就會(huì)提升。價(jià)電子受到原子的束縛力較內(nèi)層電子微弱，當(dāng)吸收到足夠的外界能量后，就很容易地跳到價(jià)能階層中更高的能階軌道上。
    如果價(jià)電子獲得充分的能量，它就能夠?qū)嶋H脫離最外層的能階層和原子核的束縛。價(jià)電子的離開，會(huì)讓先前屬于電中性的原子變成帶正電荷的狀態(tài)（此時(shí)質(zhì)子的數(shù)量多于電子）。失去價(jià)電子的過程就是所謂的離子化(ionization)，而形成的帶正電荷的原子就稱為正離子。例如，代表氫的化學(xué)符號(hào)是H。當(dāng)一個(gè)中性的氫原子失去它的價(jià)電子而成為正離子時(shí)，就將它表示為H+。脫離的價(jià)電子就稱為自由電子。當(dāng)自由電子失去能量，并且落回到呈電中性氫原子釙層的能階層時(shí)，此氫原子就帶有負(fù)電（因?yàn)椋藭r(shí)電子數(shù)量多于質(zhì)子），稱為負(fù)離子，表示為H-。
    5. 每個(gè)能階層所擁有的電子數(shù)
    原子的每個(gè)能階層所能容納最多電子的數(shù)目，是自然現(xiàn)象，可以按照下述的公式計(jì)算出來：
                                       Ne=2n²   (1.1)
其中，n是能階層的編號(hào)。最內(nèi)層的能階層編號(hào)為K，再外一層編號(hào)為L(zhǎng)，如此排列下來。最內(nèi)層的能階層能夠容納的電子數(shù)最多為
                                      Ne=2n²=2(1)²=2
    第二層的能階層能夠容納的電子數(shù)最多為
                                    Ne=2n² =2(2)² =2(4) =8
    第三層的能階層能夠容納的電子數(shù)最多為

                                    Ne=2n²=2(3)²=2(9)=18
    第四層的能階層能夠容納的電子數(shù)最多為
                                    Ne=2n²=2(4)²=2(16)=32
    原子除了最外一層（價(jià)）能階層外，所有內(nèi)部的能階層都需要填滿電子。