Валентные электроны
Поскольку электроника занимается управлением движением электронов, необходимо помнить, что электроны, будучи отрицательно заряженными, притягиваются к положительным зарядам и отталкиваются от других отрицательных зарядов. Таким образом, электроны в вакууме стремятся отдалиться друг от друга и образуют облако, подверженное влиянию других зарядов, которые могут присутствовать. Электрический ток возникает в результате движения электронов в вакууме, в проводе или в любой другой электропроводящей среде. В каждом из этих случаев электроны движутся в результате их притяжения к положительным зарядам или отталкивания от отрицательных.
Атом состоит из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, вокруг которого по орбитам, подобным орбитам планет вокруг Солнца, движутся электроны, равные по количеству протонам в ядре. Из-за равенства числа положительно и отрицательно заряженных составляющих частиц атом в целом электрически не заряжен. Когда атомы объединяются в некоторые твердые тела, называемые ковалентными (в частности, элементы IV столбца периодической таблицы), валентные электроны (внешние электроны) делятся между соседними атомами, и атомы таким образом оказываются связанными друг с другом. Это происходит не только в элементарных твердых телах, где все атомы одного вида, но и в химических соединениях (например, в соединениях III-V).
Различные материалы сильно отличаются по способности проводить электричество, что напрямую зависит от того, насколько легко или трудно освободить электроны из их атомов. В изоляционных материалах все крайние электроны атомов плотно связаны химическими связями между атомами и не могут свободно перемещаться. В металлах валентных электронов больше, чем требуется для связи, и эти избыточные электроны свободно доступны для электропроводности.
Большинство изоляторов и металлов являются кристаллическими материалами, но состоят из множества очень маленьких кристаллов. (Во всех кристаллах атомы располагаются в регулярно расположенных трехмерных решетках). Полупроводниковые твердые тела для электронных применений, однако, готовятся в виде отдельных крупных кристаллов. Благодаря тому, что атомы в полупроводнике расположены в периодической трехмерной решетке большого размера (большого, то есть по сравнению с атомом), атомы оказываются практически невидимыми для электронов, движущихся внутри кристалла. Причины такого поведения слишком сложны, чтобы объяснять их здесь, но это свойство позволяет электронам быть весьма подвижными в полупроводниках.
