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Das Atom besteht aus dem Atomkern und der Hülle der diesen umgebenden Elektronen. Die verschiedenen Elektronenbahnen eines isolierten Atoms im anschaulichen Bohrschen Atommodell entsprechen diskreten Energiezuständen. So sind auch unbesetzte Elektronenbahnen durch bestimmte Energieniveaus definiert. Wenn sich nun Atome zu einem regelmäßigen Verband im Kristallgitter vereinigen, entstehen Energiebänder durch Wechselwirkung der vielen möglichen Energiezustände, das heißt durch Überlappung der zugehörigen Wellenfunktionen
Im Bänderdiagramm oder Bändermodell werden die Zustände von Elektronen in einem Kristall beschrieben. Es gibt mehrere Energiebereiche, in denen viele quantenphysikalisch mögliche Zustände existieren, die energetisch so dicht liegen, dass sie als Kontinuum - als Energieband - angesehen werden können. Bei der Betrachtung der elektronischen Eigenschaften eines Kristalls sind vor allem das Valenz- und das Leitungsband von Bedeutung. Am absoluten Nullpunkt ist das Valenzband das höchste vollständig besetzte Energieband. Das energetisch darüberliegende Band nennt man Leitungsband. Im allgemeinen liegt zwischen beiden ein verbotener Bereich, der Bandlücke genannt wird. Das Ferminiveau gibt an, bis zu welcher Energie Zustände (am absoluten Nullpunkt, null Kelvin) besetzt sind. Die Leitfähigkeit des Kristalls hängt zum einen davon, ob das Leitungsband am Nullpunkt halb besetzt oder unbesetzt ist, und zum anderen von der Temperatur ab. Letztere bestimmt, inwieweit Elektronen aus dem Valenzband thermisch angeregt und in das Leitungsband gehoben werden können. Auf diese Weise kann ein unbesetztes Leitungsband teilbesetzt werden. Ein voll besetztes Band trägt genau wie ein unbesetztes Band nichts zum Stromtransport bei, denn die Geschwindigkeit aller Elektronen eines Bandes ist im Mittel Null. Erst ein teilbesetztes Band ermöglicht im elektrischen Feld einen von Null verschiedenen Nettostrom. In einem Metall ist das Leitungsband zur Hälfte besetzt. Es handelt sich daher um einen guten elektrischen Leiter. Eine Temperaturerhöhung führt im Allgemeinen zur Verringerung der Leitfähigkeit des Kristalls, da die erhöhte Streuung der Elektronen eine niedrigere mittlere Geschwindigkeit bedingt. In Halbmetallen überlappen das Valenz- und Leitungsband nicht. Ein Isolator hat ein unbesetztes Leitungsband und eine so große Bandlücke, dass bei Raumtemperatur und auch bei deutlich höheren Temperaturen nur sehr wenige Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband thermisch angeregt werden. Der spezifische Widerstand eines solchen Kristalls ist sehr hoch. N. B.: Es gibt auch Isolatoren, auf die das Bändermodell nicht anwendbar ist. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einem Halbleiter, jedoch ist die Bandlücke hier so klein, dass sie durch thermische Energiezufuhr überwunden werden kann. Ein Elektron kann ins Leitungsband angehoben werden und ist hier beweglich. Zugleich hinterlässt es im Valenzband eine Lücke, die durch benachbarte Elektronen aufgefüllt werden kann. Somit ist im Valenzband die Lücke beweglich. Man bezeichnet sie auch als Elektronenfehlstelle, Defektelektron oder Loch. Bei Raumtemperatur weist ein Halbleiter dadurch eine geringe Eigenleitfähigkeit auf, die durch Temperaturerhöhung gesteigert werden kann.
Durch Dotierung kann ein Halbleiter gezielt mit Ladungsträgern ausgestattet werden. Der Halbleiterkristall beruht auf einem Kristallgitter aus 4-wertigen Atomen, die jeweils durch vier Elektronenpaare gebunden sind. Dotierung mit 5-wertigen Atomen hinterlässt im Gitter ein für die Bindung nicht erforderliches Elektron, das somit nur locker gebunden ist (Abbildung unten, Bild a). Mit nur geringer Energie kann es daher ins Leitungsband angehoben werden und ist hier beweglich (Bild b). Ein solches Atom nennt man einen Elektronen-Donator (lat. donare = geben). Der Kristall wird mit beweglichen negativen Ladungsträgern ausgestattet, man spricht von einer n-Dotierung. Zugleich bleibt ein positiver Atomrumpf im Gitter zurück. Lässt man den Hintergrund der neutralen Grundsubstanz außer Betracht (Bild c), so hat man eine positive feste und eine negative bewegliche Ladung ins Gitter eingebracht. Energetisch liegt ein Donator also knapp unterhalb des Leitungsbandes (Bild d).
Dotierung mit 3-wertigen Atomen führt zu einer ungesättigten Bindung, in der ein Elektron fehlt. Dieses kann mit geringem Energieaufwand aus einer anderen Bindung gerissen werden. Ein solches Atom nennt man einen Elektronen-Akzeptor (lat. accipere = annehmen), das energetisch knapp oberhalb des Valenzbandes liegt. Es entsteht eine negative ortsfeste Ladung. Zugleich hinterlässt das Elektron im Kristall eine Lücke, die durch ein anderes Elektron aufgefüllt werden kann, also eine bewegliche Elektronenfehlstelle. Im Resultat hat man eine negative feste und eine positive bewegliche Ladung eingebracht. Man spricht dann von p-Dotierung.
Eine wichtige Anwendung finden die dotierten Kristalle in der Mikroelektronik, deren Strukturen vor allem auf Halbleiterdioden beruhen. Diese werden aus einem p-n-Übergang gebildet. Ein p-n-Übergang ist die Übergangszone zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleiterkristall. Sie zeichnet sich durch ein Fehlen beweglicher Ladungsträger aus, da die positiven des p-Kristalls sich hier mit den negativen des n-Kristalls ausgeglichen (rekombiniert) haben. Da die ebenfalls vorhandenen ortsfesten Ladungen nicht rekombinieren können, herrscht innerhalb der Zone ein elektrisches Feld, welches einen Ladungstransport unterbindet. Dieses Feld kann durch eine von außen angelegte Spannung - je nach Polung - kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder es kann verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt. Diese von der Polung abhängige Leitfähigkeit ist die Grundlage der Halbleiterdiode, der wichtigsten Anwendung des p-n-Übergangs. Deren Funktionsweise kann im Bändermodell erklärt werden. Im n-Kristall befinden sich bewegliche Elektronen im Leitungsband, im p-Kristall bewegliche Elektronenfehlstellen im Valenzband (siehe unten, Bild a). An der Berührungsstelle können zunächst Elektronen in den p-Kristall eindringen und sich hier die Elektronenfehlstellen auffüllen (Bild b). Die zuvor elektrisch neutralen Kristalle erhalten durch die zurück bleibenden festen Ladungen nunmehr eine Raumladung, die den p-Kristall negativ, den n-Kristall positiv auflädt. Durch die Ladungsträgerwanderung entsteht zwischen p- und n-Schicht eine elektrische Spannung. Sie wird Diffusionsspannung UD genannt. Bestehen die Schichten aus Silizium beträgt die Diffusionsspannung ca. 0,6 bis 0,7 V. In der von beweglichen Ladungen freien Zone (der Sperrschicht) entsteht ein elektrisches Feld. Die Elektronen müssen nun gegen einen Potenzialwall anlaufen, um noch in den p-Kristall zu gelangen (Bild c). Der Prozess kommt zum Erliegen, wenn sich die Ferminiveaus der beiden Kristalle angeglichen haben. Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Sperrrichtung (+ am n-Kristall, - am p-Kristall) wird das Feld der Sperrschicht verstärkt und der Potenzialwall vergrößert. Elektronen bzw. Defektelektronen werden von der Sperrschicht weggezogen, so dass diese sich verbreitert. Es fließt kein Strom.
Die Aufeinanderfolge von p-Typ-leitenden und n-Typ-leitenden Zonen in bestimmter Anordnung im Siliciumkristall bildet also den Transistor als Verstärker und den Thyristor als Starkstromsteuerelement.
Bei Polung in Durchlassrichtung (+ am p-Kristall, - am n-Kristall) wird der Potenzialwall abgebaut. Neue Ladungsträger fließen von der äußeren Quelle auf die Sperrschicht zu und rekombinieren hier. Es fließt Strom.
Für die Dotierung des Siliciums werden in der Regel die Elemente aus der 13. oder 15. Gruppe des Periodensystems verwendendet (z.B. Phosphos, Bor).
Diese Vielzahl von Zonen unterschiedlicher Dotierung, wobei jede nur wenige tausendstel Millimeter groß ist, wird durch eine spezielle Diffusionstechnik ermöglicht, die ihren Höhepunkt im integrierten Schaltkreis (IC) hat.
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