Корисним способом візуалізації різниці між провідниками, ізоляторами та напівпровідниками є отримання доступних енергій електронів у матеріалі. Замість наявності дискретних енергій, як у випадку з вільними атомами, наявні енергетичні стани утворюють смуги. Існування електронів у зоні провідності є вирішальним для процесу провідності. В ізоляторах електрони у валентній зоні відокремлені від зони провідності великою забороненою зоною. У таких провідниках, як метали, валентна зона перекривається із зоною провідності, а в напівпровідниках між валентною та провідниковою зонами є досить малий зазор, через який електрони можуть перестрибнути через неї при нагріванні чи іншому виді збудження. При таких малих зазорах, наявність невеликого відсотка легуючого матеріалу різко збільшує провідність.

Важливим параметром в теорії зон є рівень Фермі, максимум рівнів енергії електронів, доступних при низьких температурах. Положення рівня Фермі щодо зони провідності є основним фактором при визначенні електричних властивостей.

твердих
Детальний вигляд діапазонівЗалежність забороненої смуги від міжупругого інтервалу
Індекс

Клацніть на будь-яку частину для отримання додаткової інформації.

Залежність забороненої смуги від міжупругого інтервалу
Індекс

Більшість твердих речовин є ізоляторами, і з точки зору теорії твердих тіл це означає, що між енергіями валентних електронів і енергією, при якій електрони можуть вільно рухатися по матеріалу (рушійна смуга), є великий заборонений простір.

Скло - це ізолюючий матеріал, який може бути прозорим для видимого світла з причин, тісно пов’язаних з його природою як електричного ізолятора. Фотони видимого світла не мають достатньої квантової енергії, щоб обійти заборонену смугу, і піднімають електрони до доступного рівня енергії в зоні провідності. Властивості видимості скла також можуть дати уявлення про вплив «легування» на властивості твердих речовин. Дуже малий відсоток домішкових атомів у склі може забарвити його, забезпечуючи певні рівні доступної енергії, які поглинають певні кольори видимого світла. Наприклад, мінерал рубен (корунд) - це оксид алюмінію з невеликою кількістю (близько 0,05%) хрому, що надає йому характерний рожевий або червоний колір завдяки поглинанню зеленого світла та синього.

Хоча легування ізоляторів може кардинально змінити їх оптичні властивості, недостатньо подолати велику ширину зазору, щоб зробити їх хорошими провідниками електрики. Однак напівпровідникове легування набагато сильніше впливає на їх електропровідність і є основою для твердотільної електроніки.

У власних напівпровідниках, таких як кремній та германій, рівень Фермі, по суті, знаходиться на півдорозі між валентною та провідниковою зонами. Хоча провідність не відбувається при 0єK, при більш високих температурах кінцеве число електронів може досягти зони провідності і забезпечити певний струм. У легованому напівпровіднику додаються додаткові рівні енергії.

Збільшення провідності з температурою можна моделювати за допомогою функції Фермі, яка дозволяє обчислити заселеність зони провідності.

З точки зору теорії зон у твердих тілах, метали є унікальними як хороші провідники електрики. Це можна розглядати як результат того, що його валентні електрони є по суті вільними. У теорії зон це зображено як перекриття валентної зони із зоною провідності, так що принаймні частка валентних електронів може рухатися крізь матеріал.