В атомі електрони рухаються на різних відстанях від ядра і з різними швидкостями. Зі збільшенням радіуса орбіти кінетична енергія електрона зменшується, а потенційна щодо ядра - збільшується. Відповідно до цього відносно ядра електрони мають різні значення повної енергії - рівнями енергії. Найменша повна енергія - у найближчих до ядра електронів, найбільша - у валентних електронів.
Енергетичні рівні електронів відрізняються один від одного певними значеннями енергії Е. Одним і тим же рівнем енергії в відокремленому атомі (рис. 77, а) можуть володіти не більше двох електронів (принцип Паулі). В атомі між енергетичними рівнями є області заборонених значень енергії для електронів. Їх називають забороненими зонами (на малюнку зони А, В, С і т. Д.).
Під впливом деяких факторів (нагрівання, зовнішнього електричного поля, випромінювання) енергія електрона ізольованого атома може змінюватися: збільшуватися або зменшуватися, але не плавно, а стрибком - дискретними значеннями енергії, від одного рівня до якогось іншого рівня. Перехід електрона на більш високий енергетичний рівень (наприклад, з 1-го на 3-й, з 2-го на 5-й) відбувається при поглинанні їм ззовні енергії. Перехід на більш низький енергетичний рівень (наприклад, з 5-го на 2-й, з 4-го на 1-й) супроводжується виділенням енергії.
При об'єднанні атомів в тверде тіло внаслідок утворення колективізованих електронів енергетичні рівні окремих електронів атома розщеплюються на безліч близьких за величиною рівнів енергії, які утворюють енергетичну зону (рис. 77, б). Вона називається зоною дозволених значень енергії електрона. Число рівнів в зоні дорівнює кількості атомів в кристалі.
Між дозволеними зонами енергій є зони заборонених значень енергії електрона. У твердому тілі буває різне заповнення різних зон електронами. Зони можуть бути заповненими повністю, вони називаються валентними (рис. 77, в), частково заповненими - такі зони називаються зонами провідності, або зовсім вільними (вільні зони). У валентних зонах всі енергетичні рівні зайняті електронами, тому в таких зонах неможливі внутрізонние переходи електронів з рівня на рівень під дією електричного поля. (В освіті електричного струму валентні зони участі не приймають, тому вони нас надалі цікавити не будуть.
При утворенні енергетичних зон, верхні енергетичні рівні, наприклад 3-й, 4-й, 5-й (рис. 78), розщеплюються так, що електрони в сусідніх зонах мають однакові значення енергії - їх енергетичні рівні збігаються. Це призводить до перекриття всіх зон, в тому числі і вільної зони (розщепленим верхнім енергетичним рівнем 5).
Усередині твердого тіла немає ніяких зон, обмежених геометричними розмірами. Поняття "зона" введено тільки для того, щоб підкреслити, що в твердому тілі ті чи інші електрони (електрони даної зони) мають енергію, що лежить в певних межах: від найменшого значення енергії E1 до її максимального значення Е2 в заповненій зоні (див. Рис . 77, в) або від найменшого значення енергії Е3 до її максимального значення. Е4 в зоні провідності. Коли ми говоримо, що електрон знаходиться в такій-то зоні, то під цим мається на увазі тільки його енергетичний стан, запас енергії, яким він володіє. При графічному зображенні зон, коли по вертикалі відкладається значення енергії, лінія нижньої межі зони буде відповідати найменшим значенням енергії електронів даної зони, а лінія верхньої межі - найбільшому.
Електрони в твердих тілах можуть переходити з однієї дозволеної зони в іншу, а також з одного рівня на інший в межах однієї зони (внутрізонние переходи). Для перекладу електрона з нижньої зони в сусідню верхню необхідно затратити енергію, рівну енергії, що відповідає ширині забороненої зони.
Залежно від ширини заборонених зон та заповнення електронами енергетичних рівнів в зонах тверді тіла поділяються за електропровідності на провідники, напівпровідники і діелектрики. До провідникам (метали) відносяться речовини, що мають або не повністю заповнену енергетичну зону провідності, що примикає до вільній зоні (рис. 79, а), або частково перекриваються між собою зони: повністю заповнена (валентна) і перебуває над нею вільна. Перекриття зон призводить до утворення широкої, в повному обсязі заповненої зони - зони провідності (рис. 79, б). При підключенні металу до джерела струму (при наявності в ньому навіть слабкого зовнішнього електричного поля) електрону в межах однієї зони приходять в впорядкований рух з нижчих енергетичних рівнів на вищі, переміщаючись по металу, утворюючи тим самим електричний струм.
Речовини, у яких між вільною і валентної зонами є широка заборонена зона (більше 2-3 ев), є діелектриками (рис. 80). У них всі енергетичні рівні валентних зон заповнені повністю електронами. Використовувати вільну зону в якості зони провідності не можна, так як вона відокремлена від валентної широкою забороненою зоною. Тому в діелектриках немає умов для упорядкованого руху електронів в межах однієї енергетичної зони, т. Е. Немає умов для утворення струму. При дуже великий напруженості електричного поля електрони в діелектрику можуть перейти з валентної в вільну зону. Утворився при цьому струм зруйнує діелектрик (пробою діелектрика).
