電子的能級與能帶
一、什麼叫能級
上面我們提到，電子圍繞原子核是按層分布的，每個電子的能量（或運轉的軌道）是固定的。在原子中，最外層電子離原子核最遠，原子核對它的吸引力最小而靠近原子核的那層電子，原子核對它的吸引力最大。所以，如果第一層的電子要跳到第二層，它就必須花去一定的能量來克服原子核對它的引力。如果這個電子的能量很小不足以克服原子核的引力，那它只能在第一層運轉。可見，只有能量較大的電子才能從第一層跳到第二層。所以第二層上電子的能量大於第一層上電子的能量。依次類推，越是外層上的電子能量越大。在物理學中，常常用能量圖來描述電子在不同軌道上所具有的能量。如果把電子所具有的能量由低到高依次用線條畫出來，那末就可以看出，它們的能量是一級級地增加上去的。
我們分別用Ex、Bl、BM、BN分別表示電子處於K、L、M、N各層上所具有的能量。我們把這些標誌電子能量高低的線條稱為電子的能級。這裡要指出的是，在最外層電子能級的上面還存在能級，但這些能級是空的，並沒有電子佔據，這些空的能級越來越接近自由電子能級。所謂自由電子是指不受原子核束縛，而能夠自由活動的電子。
二、能帶是怎樣形成的
以上我們僅僅討論了在一個孤立原子中的電子狀態。在通常情況下，物質都是由大量原子組成的。在半導體中，大量的原子按一定的規律和周期排列成晶體。由於原子與原子靠得非常近，所以價電子不僅受原來所屬的原子核的影響還要受到相鄰原子的原子核的影響。這樣，價電子就不再屬於個別原子所「私有」，即僅圍繞某個原子核運動，而成了整個晶體所「共有」它能在整個晶體中運動。價電子的這種運動稱為共有化運動。這裡就提出了一個問題：當價電子在整個晶體中運動時，它所具有的能量是否和圍繞一個原子核運動時所具有的能量一樣呢？或者說，它們的能級有沒有變化呢？實際上，它們的能級是有變化的。這些共有化」的價電子不像圍繞一個原子核運動時那樣只能有一個固定的能量，即有一個固定的能級，而是具有若干個分布在一定範圍內的能級。這些能級相互之間靠得非常近，基本上連成一片。我們把這些連成一片的能級叫做能帶。除了價電子會產生共有化運動外，內層電子也會產生共有化運動。
三、價帶、滿帶、禁帶和導帶
外層電子所對應的能帶比較寬越靠近原子核的內層電子所對應的能帶越窄。這是因為外層電子的共有化運動比較強，電子在晶體中共有化運動的速度比較快；內層電子的共有化運動比較弱，運動速度也較慢。因此，能帶的寬度主要由晶體的性質來決定，與晶體中原子的多少無關。在能帶與能帶之間的區域我們稱它為禁帶，那是因為在這個能量範圍內不允許電子存在。在晶體中，電子只能存在於能帶的能級上。
如果把一盆水倒在坑窪不平的地上，水總是先流向凹窪處同樣，電子在填充能帶時也是先佔據能量最小的能級，也就是最下面的能級。因此，在正常情況下，內層電子所對應的能帶都被電子填滿了，而最外層價電子所對應的能帶有的已被電子填滿，有的則還沒有被電子所填滿。還有的能帶根本沒有電子，而是空的。這些不同情況的能帶具有不同的特性。為了以示區別，我們分別給它們不同的名稱：價電子能級所對應的能帶稱為價帶；凡是被電子填滿的能帶稱為滿帶；沒有被電子填滿的能帶（包括沒有電子佔據的空帶）稱為導帶。
半導體和絕緣體中的價帶都是填滿電子的滿帶。電子在滿帶中是不能導電的，只有在導帶中的電子才能導電。下面來講講為什麼電子在滿帶中不能導電，而在導帶中能導電的問題。我們知道，電流是電子在電場的作用下沿著某一方向移動的結果。我們可以想像能帶中有許多「位置」，每個「位置」只能容納一個電子，由於在滿帶中所有的「位置都被電子佔滿了，電子不能在電場作用下從一個「位置」跑到另一個「位置」，就象在滿座的劇場裡你不可能去佔坐別人的座位一樣，所以滿帶中的電子是不自由的，即不能導電。但在導帶中有許多空的「位置」電子在電場的作用下就能改變能量，從一個位置」跑到另一個「位置」。大量電子的這種運動，從宏觀上來看，表現為電子作定向運動，因而就形成了電流。所以說只有導帶中的電子才能導電。