原子 」 就是 大多數 人 在 高中 科學 課本 看過 的 原子 ： 有如 「 太陽系 」 模型 ， 電子 以 同心 軌道 環繞 一 個 位於 中心 的 核旋轉 。 在 一九二二年 諾貝爾獎 致詞 時 ， 波耳 解釋 ， 「 在 這 個 圖像 中 ， 我們 看到 它 與 行星 軌道 系統 有 某 種 驚人 的 相似 之 處 ， 很 像是 我們 的 太陽系 。 」 然而 ， 波耳 圖像 的 關鍵點 ， 就 是 他 堅持 認為 電子 只 能 在 特定 軌道 上 環繞 原子核 。 使用 量子 力學 和 某些 令 人 驚訝 的 數學 方法 ， 波耳 精確 判斷出 各 個 軌道 應該 與 原子核 距離 多 遠 ， 以及 每 個 軌道 內 可能 存在 多少 個 電子 。 在 這 幾 個 規則 之下 ， 距離 原子核 最 遠 的 軌道 ， 可能 有 一 個 到 八 個 電子 。 各 元素 的 電 性質 都 是 取決 於 這 個 最 外層 的 軌道 ； 更 明確 地 說 ， 就是 取決 於 外層 軌道 的 電子數 。 如果 原子 最 外層 只 有 一 個 電子 ， 這 個 電子 不會 緊緊 跟著 原子核 ， 而是 很 容易 脫離 。 但 外層 軌道 客滿 的 原子 （ 八 個 電子 ） ， 電子 就 會 緊緊 擠 在一起 。 量子 物理學家 可以 從 這 個 原子 理論 預測 哪 幾 種 材料 會 是 電流 的 良導體 。 很 容易 釋放 電子 的 物質 ， 就 會 供應 自由 流動 的 電子 ， 因此 能 造成 電流 ； 這 種 物質 應該 就 是 良導體 。 若是 不會 釋放 自由 電子 的 材料 ， 電 就 不會 流動 ， 那麼 它 就 是 一 種 絕緣體 。 理論 上 ， 任何 材料 的 導電性 ， 就 會 取決 於 最 外圈 的 電子數 。 從來 沒有 人 看過 原子 。 除非 我們 看 得 到 ， 否則 原子 結構 的 量子 圖像 ， 嚴格 說來 仍然 只是 理論 。 但 只要 實驗 測定 特定 材料 的 導電性 ， 就 可以 驗證 量子 觀點 的 導電性 推論 是否 正確 。 把 這些 實驗 結果 與 量子論 的 預測 比較 的話 ， 會 發現 理論 和 實驗 完全 符合 。 最佳 導體 （ 銀 、 銅 、 金 ） 材料 ， 其實 就 是 最 外層 軌道 只 有 一 個 電子 的 元素 。 而 證實 是 最佳 絕緣體 的 材料 ， 其實 就 是 有 八 個 外層 電子 的 元素 。 一般 說來 ， 外圈 有 三 個 以下 電子 的 元素 是 導體 ， 而 含有 五 個 電子 以上 的 就 是 絕緣體 。 站 在 這 種 連續體 的 正中央 就 是 半導體 。 半導體 （ 例如 矽 和 鍺 ） 的 最 外圈 有 四 個 電子 。 正 是 這 種 半導體 材料 的 特殊 性質 ， 使得 它們 在 電子學 方面 有 極 重大 的 用處 。 半導體 騎 在 牆 上 ， 坐 在 導體 和 絕緣體 中間 ， 具有 這 種 中間 結構 ， 它 才 可以 執行 寶貴 的 電子 服務 。 動手腳 騙 過 矽原子 半導體 正好 在 導體 和 絕緣體 中間 的 界線 上 ， 所以 實驗 科學家 發現 了 一些 方法 來 改變 其 導電性 。 這 可以 透過 一 種 稱為 「 摻雜 」 的 程序 達成 。 方法 是 這樣 ： 在一塊 堅固 的 純矽 裡 ， 個別 原子 常常 會 和 鄰居 聯結 在一起 。 每 個 原子 最 外圈 有 四 個 電子 ， 形成 緊密 的 四 個 角落 ， 連接 和 隔鄰 原子 最 外面 的 四 個 東西 。 發生 這 種 情形 的 時候 ， 全部 八 個 電子 都 會 牢牢 固定 在 適當 的 地方 ； 沒有 任何 電子 可以 逃脫 ， 也 就 不會 有 電流 。 但 人類 已經 學到 如何 在 矽 裡面 摻入 雜質 ， 藉 此 騙 過 矽原子 。 只要 引進 不同 的 幾 種 微量 元素 — — 例如 有 五 個 外圈 電子 的 砷 。 矽 原子 四 個 外層 電子 會 把 自己 綁到 砷 的 四 個 電子 ， 留下 一 個 多出來 而 不 受 綑綁 的 砷 電子 自由 移動 。 由於 砷 的 摻雜 ， 這 塊 矽 如今 就 成 了 導體 。 如果 摻進 更多 砷原子 ， 就 會 產生 更多 自由 電子 ， 因此 電流 就 會 更 大 。 透過 矽 移動 的 電流 （ 也 就 是 一 道 流動 的 自由 電子 ） ， 和 湯姆笙 看到 流過 陰極射線 管 內 真空 的 電流 是 一樣 的 。 可是 ， 如果 將 矽 摻雜 一 種 最 外層 只 有 三 個 電子 的 元素 （ 例如 硼 ） ， 又 會 如何 呢 ？ 當 矽 原子 試 著 和 硼 聯繫 起來 的 時候 ， 這 種 安排 會 出現 短少 一 個 電子 的 狀況 ， 在 第八 個 電子 應該 在 的 地方 留下 一 個 空位 （ 一 個 空洞 ） 。 一 個 附近 的 電子 會 被 拉過去 ， 填補 這 個 洞 ； 這 就 會 在 此 電子 原來 的 地方 留下 另 一 個 洞 。 另 一 個 電子 移過來 填補 這 個 新 的 洞 ， 而 在 原來 的 地方 留下 另 一 個 洞 。 實際 的 效果 ， 就 好像 電洞 在 矽塊 裡 到處 運動 。 在 著名 學者 蕭克利 寫 的 半導體 物理學 經典 教科書 裡 ， 他 將 一 塊 矽 比擬為 停車場 ， 用來 解釋 這 種 情況 。 在一塊 沒有 摻雜 的 純晶體 內部 ， 停車場 的 每 個 車位 都 停滿 了 ， 就 不會 有 任何 交通 。 如果 有 一 輛 汽車 移走 ， 就 會 留下 一 個 空位 ， 另 一 輛 汽車 就 可能 往 前 走 ， 因此 原來 的 位置 就 騰空 了 ， 下 一 輛 汽車 又 可以 駛進來 。 移動 的 當然 是 車子 ， 但 對於 從 高樓 頂上 偶爾 向 下 看 的 觀察 者 而言 ， 看起來 好像 空格 在 停車場 到處 移動 。 蕭克利 在 書 上 說 ， 「 空 的 停車格 … … 可能 由於 汽車 進入 停車格 的 連續 運動 而 移動 。 」 摻雜 過程 會 產生 兩 種 不同 類型 的 矽 。 在 矽 收到 額外 電子 的 時候 ， 它 就 會 帶 負 電荷 ， 因為 電子 帶有 負電 。 如果 矽 帶有 電洞 （ 表示 缺失 的 電子 ） 就 會 呈現出 淨 的 正電荷 。 假如 電洞 現象 是 在 湯姆笙 的 時代 發現 ， 由於 當時 科學界 對於 古典 語文 都 有 深厚 的 基礎 ， 他們 大概 會 把 這 個 空出來 的 點取 一 個 希臘 或 拉丁 名稱 ， 像是 「 空子 」 或 「 虛子 」 之類 。 到 了 一九三 g 年代 ， 電洞 的 流動 才 被 確定 ， 這時 古典 語文 已經 沒落 ， 英語 已 成為 物理學 的 通用語 。 因此 ， 這 種 帶 正電 的 洞 ， 正式 的 科學 名稱 就 是 一 個 簡單 的 英文字 ： hole （ 洞 ） 。 （ 蕭克利 寫 的 教科書 就 叫 《 半導體 電子 與 電洞 》 ） 同樣