Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Daher können nach der Theorie von Felix Bloch ihre Energieniveaus durch Energiebänder beschrieben werden. In Metallen liegen teilweise besetzte Bänder vor, weshalb Metalle elektrisch leitend sind. In Nichtmetallen sind bei einer Temperatur von null Kelvin (absoluter Nullpunkt der Temperaturskala, entspricht etwa -273,15 Grad Celsius) die Bänder entweder voll mit Elektronen besetzt oder ganz leer. Da dann keine freien Elektronen vorliegen, liegt am absoluten Nullpunkt keine elektrische Leitfähigkeit in Nichtmetallen vor.

Zwischen dem obersten noch voll besetzten Band (Valenzband) und dem darüberliegenden (Leitungsband) liegt ein Energiebereich, in dem keine nach der Quantenmechanik erlaubten Zustände existieren, die Bandlücke. Diese Bandlücke ist bei Halbleitern relativ klein (InAs: ~0.4 eV, Ge: ~0.7 eV, Si: ~1.2 eV, GaAs: ~1.5 eV, Diamant: ~5.5 eV), so dass z.B. durch die Energie der Wärmeschwingungen oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit.

Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, das so genannte Dotieren, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden. Bei Überschuss sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei einem Mangel die gedachten, positiv geladenen Löcher oder Defektelektronen im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert\', solche mit Mangel als p-dotiert'.

Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen kann man einzelne, so genannte diskrete, Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen.

Siehe auch P-n-Übergang.

Chemische Einteilung: {| width="100%" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0" | width="33%" | Elementare Halbleiter | width="33%" | Verbindungshalbleiter | width="33%" | Organische Halbleiter |----- | Ge, Si, alpha-Sn, C (Fullerene), B, Se, Te | III-V:GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN | Mono- und triklin: Anthracen, Tetracen, Phthalocyanine |----- | Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I | II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS | Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe |----- |   | III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe .... |   |} Bindungscharakter: Man unterscheidet vier chemische Bindungstypen:
1.) Heteropolare Bindung
2.) Homöopolare Bindung
3.) Van-der-Vaals-Bindung
4.) Metallbindung
Die Übergänge zwischen diesen vier Bindungstypen sind fließend.