Энергия электрона принимает лишь определённые значения, называемые энергетическими уровнями. При переходе электрона с более высокого уровня на более низкий выделяется квант энергии – фотон. В полупроводниках и металлах существует большое число электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях, которые составляют зону проводимости. Электроны внешней оболочки атома составляют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону.
В металлах каждый атом отдаёт электрон в зону проводимости. В полупроводниках ширина запрещённой зоны это разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны. Для Германия ширина запрещённой зоны составляет 0,72 ЭВ (для T=300K), а для кремния 1,12 ЭВ.
Металлы и полупроводники обладают электронной электропроводностью, обусловленной перемещением электронов проводимости. Электроны под действием разности потенциалов могут начать двигаться в определённом направлении. Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно называется дыркой.
Если одному из электронов дать дополнительную энергию, то он становиться электроном проводимости и на его месте остаётся дырка. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды. При дырочной электропроводности в действительности перемещаются электроны. Электроны переходят из данных атомов в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов в направлении противоположном движению электронов. При повышении температуры электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают дополнительную энергию.
В полупроводниках существует электронная и дырочная электропроводность. Под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, то есть возникают пары электрон проводимости – дырка. Генерация пар происходит под действием света, ионизирующего излучения или электрического поля. Процесс, обратный генерации, называется рекомбинацией.