所有固体物质都是由原子组成的，而原子则由原子核和电子组成。原子核外的电子在以原子核为中心的轨道上运动，距离原子核越远的轨道其能级（电位能的级别）越高，电子也就越容易脱离原子的束缚，变成可以运动的自由电子。这有点像手上的风筝，放得越高，其运动能量越大，挣脱线的束缚的可能性越大。所以，最外层的电子最活跃，决定了与其他原子结合的方式（化学键），决定了该元素的化学性质，也就决定了该原子的价值，因此被称作为“价电子”。以硅原子为例，其原子核外有14个电子，以“2、8、4”的数量分布在三个轨道上，里面2和8个电子是稳定的，而外部的4个电子状态容易发生变化，因此其物理、化学特性就与它的4个价电子强相关。原子的电子状态决定了物质的导电特性，而能带就是在半导体物理中用来表征电子状态的一个概念。在固体电子学中有一套能带理论，便于研究固体（包括半导体）物质内部微观世界的规律。

当原子处于孤立状态时，其电子能级可以用一根线来表示；当若干原子相互靠近时，能级组成一束线；当大量原子共存于内部结构规律的晶体中时，密集的能级就变成了带状，即能带。能带中的电子按能量从低到高的顺序依次占据能级。下面是绝缘体、半导体和金属导体的能带结构示意图。最下面的是价带，是在存在电子的能带中，能量最高的带；最上面是导带，一般是空着的；价带与导带之间不存在能级的能量范围就叫做禁带，禁带的宽度叫做带隙（能隙）。绝缘体的带隙很宽，电子很难跃迁到导带形成电流，因此绝缘体不导电。金属导体只是价带的下部能级被电子填满，上部可能未满，或者跟导带有一定的重叠区域，电子可以自由运动，即使没有重叠，其带隙也是非常窄的，因此很容易导电。而半导体的带隙宽度介于绝缘体和导体之间，其价带是填满的，导带是空的，如果受热或受到光线、电子射线的照射获得能量，就很容易跃迁到导带中，这就是半导体导电并且其导电性能可被改变的原理。

由于半导体的带隙窄，电子容易发生跃迁，因而导电性能容易发生大的变化；电子状态的变化还可能带来其他效应，比如从高能级到低能级跃迁过程中多余的能量以光子的形式释放，则产生“发光”现象。独特的能带结构，正是半导体具有百变魔力之源。