半導體的導電特性介於金屬和絕緣體之間。兩個觀念可以說明三種物質的差別－能帶理論（energy band theory）以及Fermi能階（Fermi energy level）。
在單一原子中，依照包立不相容原理由低到高能階排列，最外圍能階的電子被稱為價電子（valence electron）。而溫度不等於零的情況下，這些價電子有機會因環境熱輻射光子的影響，躍遷至更高的能階而離開原子的控制，成為自由電子（free electron）。
當有很多原子排列在一起，形成固態晶格時，原子彼此之間的能階會相互影響，我們有的便不是單一個外圍能階，而是一群量值相近的能階，此即晶格的價帶（valence band）。同理，晶格中自由電子能佔據的能階也會是量質相近的能帶，此即晶格的傳導帶（conduction band）；只有在傳導帶上的自由電子，才能產生巨觀尺度的電流。
一個對能帶理論更全面的理解，必須考慮晶格中原子對電子的位能為週期性函數的事實，並使用Bloch理論（Bloch's theorem）求出能帶分布。
在熱力學中，Fermi能階的定義為平衡狀態時，將單位電子移入系統中，所需給予的能量；在固態物理中，這個能階上任何時刻電子佔據某個狀態的機率為$50 \%$。
在金屬中，Fermi能階必定在傳導帶內。這代表金屬中總是有一定數量的電子在自由電子海中，也因此有金屬的導電性。
另一方面，絕緣體的傳導帶遠高於Fermi能階，因此電子幾乎不可能跑到傳導帶上。而半導體則介於兩者之間；其Fermi能階介於價帶與傳導帶之間，而價帶與傳導帶的能階差夠小，使一部分的電子在有機會從價帶移往傳導帶。
我們在 自由電子海的能量分布與Fermi能階 中，有推導自由電子海中Fermi能階和溫度的關係。不過，該推導只考慮存在於傳導帶中的電子，比較接近金屬內的情況。當Fermi能階$\varepsilon_F$小於傳導帶的最小能階$\varepsilon_C$時，則我們必然需要考慮不在自由電子海的電子（因為當溫度為零時，所有的電子都只會佔據在價帶中）。