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價電子
最外層殼或價殼中的電子稱爲價電子。 這些價電子負責化學元素的化學性質。 這些電子參與與其他元素的化學反應。 適用於簡單反應的過於簡化的化學法則是原子試圖形成8個電子的完整外殼（L殼兩個）。 原子可能會釋放一些電子，以暴露出下面的完整外殼。 原子可以接受一些電子來完成殼。 這兩個過程從原子形成離子。 原子甚至可能在原子之間共享電子，以試圖完成外殼。 該過程形成分子鍵。 也就是說，原子締合形成一個分子。
導體
例如，第一組元素：Li，Na，K，Cu，Ag和Au具有單個價電子。 （下圖）這些元素都具有相似的化學性質。 這些原子很容易釋放出一個電子與其他元素反應。 容易釋放電子的能力使這些元素成爲極好的導體。
元素週期表中的IA組元素：Li，Na和K，以及IB組元素：Cu，Ag和Au在外殼（或化合價）中有一個電子，很容易失去。 內殼電子：n = 1，2，3，4; 2n^2 = 2、8、18、32。
絕緣子
VIIA組元素：F1，Cl，Br和I在外殼中都具有7個電子。 這些元素很容易接受一個電子，使整個外殼充滿8個電子。 （下圖）如果這些元素確實接受電子，則中性原子會形成負離子。 這些不釋放電子的元素是絕緣體。
元素週期表中的VIIA元素：具有7個價電子的F，Cl，Br和I在與其他元素的反應中容易接受電子。
例如，如下圖所示，Cl原子接受來自Na原子的電子變成Cl-離子。 離子是通過提供或接受電子而由原子形成的帶電粒子。 當Na原子提供電子時，它變成Na +離子。 這就是Na和Cl原子結合形成食鹽NaCl的方式，它實際上是一對離子Na + Cl-。 帶有相反電荷的Na +和Cl-相互吸引。
中性鈉原子向中性氯原子提供電子，形成Na +和Cl-離子。
氯化鈉以立方結構結晶，如下圖所示。 此模型未按比例顯示三維結構。 實際上，Na + Cl-離子的堆積類似於堆積的大理石層。 容易繪製的立方晶體結構說明了固態晶體可能包含帶電粒子。
VIIIA族元素：He，Ne，Ar，Kr，Xe在化合價殼中都具有8個電子。 （下圖）也就是說，價殼是完整的，這意味着這些元素既不捐贈也不接受電子。 由於VIIIA族元素不容易與其他元素結合，因此它們也不容易參與化學反應。 近年來，化學家迫使Xe和Kr形成一些化合物，但是，出於我們討論的目的，這並不適用。 這些元素是良好的電絕緣體，在室溫下爲氣體。
VIIIA族元素：由於價殼完整，因此He，Ne，Ar，Kr，Xe基本上不反應。
半導體類
IVA族元素：C，Si，Ge，在價態殼中具有4個電子（如下圖所示），通過與其他元素共享電子而不形成離子來形成化合物。 這種共享的電子鍵合稱爲共價鍵合。 請注意，中心原子（以及其他擴展的原子）通過共享電子完成了其價殼。 注意，該圖是鍵的二維表示，實際上是3-d。 我們對這組IVA的半導體特性感興趣。
（a）IVA族元素：在價殼中具有4個電子的C，Si，Ge，（b）通過與其他元素共享電子來完成價殼。
晶體結構
大多數無機物質將其原子（或離子）形成稱爲晶體的有序陣列。 原子的外部電子雲以有序的方式相互作用。 甚至金屬在微觀水平上也由晶體組成。 如果對金屬樣品進行光學拋光，然後進行酸蝕，則微觀微晶結構如下圖所示。 也可以從專門的供應商處購買大量的金屬單晶樣品。 拋光和蝕刻這種樣品沒有發現微晶結構。 實際上，所有工業金屬都是多晶的。 另一方面，大多數現代半導體是單晶器件。 我們主要對單晶結構感興趣。
（a）金屬樣品，（b）拋光，（c）酸蝕以顯示微晶結構。
許多金屬柔軟，容易因各種金屬加工技術而變形。 微晶在金屬加工中變形。 而且，價電子自由地圍繞晶格移動，並且從晶體到晶體自由移動。 價電子不屬於任何特定原子，而是屬於所有原子。
下圖中的剛性晶體結構由正的Na離子和負的Cl離子的規則重複圖案組成。 Na和Cl原子通過將電子從Na轉移到Cl形成Na +和Cl-離子，沒有自由電子。 電子不能自由地在晶格周圍移動，與金屬相比有所不同。 離子也不自由。 離子在晶體結構內固定在適當的位置。 但是，如果將NaCl晶體溶於水，離子將自由移動。 但是，晶體不再存在。 規則的重複結構不見了。 水的蒸發會以新晶體的形式沉積Na +和Cl-離子，因爲帶相反電荷的離子會相互吸引。 離子材料由於帶相反電荷的離子的強烈靜電吸引而形成晶體結構。
在第14組（以前爲IV組的一部分）中具有立方晶系的NaCl晶體利用圍繞原子的s和p軌道電子形成四面體鍵合圖案，並與四個相鄰原子共享電子對鍵。 （下圖（a））。 第14組元素具有四個外部電子：兩個處於球形s軌道，兩個處於p軌道。 p軌道之一未被佔用。 這三個p軌道與s軌道雜交形成四個sp3分子軌道。 這些四電子雲相互排斥，圍繞Si原子的等距四面體間距被正原子核吸引，如下圖所示。
一個s軌道電子和三個p軌道電子混合，形成四個sp3分子軌道。
每個半導體原子，Si，Ge或C（金剛石）都通過共價鍵（共享電子鍵）化學鍵合到其他四個原子上。 如果兩個電子具有相反的自旋量子數，則它們可以共享一個軌道。 因此，不成對的電子可以與來自另一個原子的電子共享一個軌道。 這對應於電子雲下面（a）的重疊圖或鍵合。 下圖（b）是原圖下圖所示金剛石晶體結構晶胞體積的四分之一。 這些鍵在金剛石中特別牢固，在強度下降到第四族時下降到硅和鍺。 硅和鍺均形成具有菱形結構的晶體。
（a）Si原子的四面體鍵合。 （b）導致立方晶胞的1/4
鑽石晶胞是基本的晶體構建塊。 下圖顯示了在該單元空間內四個原子（深色）與四個其他原子相連的情況。 這等效於將下圖（b）中的一個放置在下圖的原點，然後再將三個放置在相鄰面上以填充整個立方體。 六個原子落在六個立方體面的每個面的中間，顯示出兩個鍵。 爲了清楚起見，省略了與相鄰立方體的其他兩個鍵。 在八個立方體角中，四個原子與立方體中的一個原子鍵合。 其他四個原子在哪裏鍵合？ 其他四個鍵合到晶體的相鄰立方體。 請記住，即使四個角原子在立方體中均未顯示任何鍵，但晶體中的所有原子都以一個巨型分子鍵合。 半導體晶體由該單位晶胞的副本構建而成。
Si，Ge和C（金剛石）形成交錯的面心立方體。
晶體實際上是一個分子。 原子與其他四個原子共價鍵，而後者又與另外四個原子鍵，依此類推。 晶格是相對剛性的，抵抗變形。 很少有電子會釋放自身以圍繞晶體傳導。 半導體的一個特性是，一旦釋放出電子，就會形成帶正電的空白空間，這也有助於傳導。
總結
原子試圖形成一個完整的外電子價的8電子殼（最裏面的殼爲2電子）。 原子可能會貢獻一些電子以暴露下面的8殼，接受一些電子以完成殼，或共享電子以完成殼。
原子通常在稱爲晶體的剛性結構中形成離子或原子的有序陣列。
中性原子可以通過給電子而形成正離子。
中性原子可以通過接受電子形成負離子
IVA族半導體：C，Si，Ge結晶爲菱形結構。 晶體中的每個原子都是一個巨大分子的一部分，與其他四個原子鍵合。
大多數半導體器件是由單晶製成的。