Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn đƣợc giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lƣợng. Mô hình vùng năng lƣợng trong chất bán dẫn đƣa ra một quan điểm rõ ràng hơn về quá trình phát sinh cặp electron - lỗ trống và sự điều chỉnh nồng độ các hạt tải điện bằng các tạp chất. Ngƣời ta chia ra làm 3 vùng là: vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm.
Hình 1.1. Mô hình vùng năng lượng trong chất bán dẫn
- Vùng hóa trị là vùng có năng lƣợng thấp nhất theo thang năng lƣợng, là vùng mà electron điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
- Vùng dẫn là vùng có năng lƣợng cao nhất, là vùng mà các electron sẽ linh động nhƣ các electron tự do và electron ở vùng này sẽ là electron dẫn, nghĩa là chất có khả năng dẫn điện khi có các electron tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ electron trên vùng dẫn tăng.
- Vùng cấm là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lƣợng nào, do đó electron không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp có thể xuất hiện các mức năng lƣợng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm hay năng lƣợng vùng cấm. Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mag chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.
* Cấu trúc vùng năng lƣợng của chất bán dẫn hữu cơ
Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng trong chất bán dẫn hữu cơ
Trong chất bán dẫn hữu cơ, tồn tại hai vùng là vùng các obitan phân tử bị chiếm cao nhất (HOMO) và obitan phân tử không bị chiếm thấp nhất (LUMO). Hai vùng HOMO và LUMO này tƣơng ứng giống nhƣ hai vùng hóa trị và vùng dẫn trong chất bán dẫn vô cơ. Ở trạng thái cơ bản, vùng HOMO có các electron đƣợc điền đầy trong khi vùng LUMO không có electron. Khi có tác nhân kích thích chẳng hạn nhƣ ánh sáng, nhiệt độ… các electron ở vùng HOMO nhận năng lƣợng và ở trạng thái kích thích, nếu chúng nhận năng lƣợng đủ lớn, chúng có thể nhảy lên vùng LUMO, quá trình này cũng giống nhƣ quá trình electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn khi electron đƣợc kích thích trong chất bán dẫn vô cơ. Ở nhiệt độ cao, các electron từ HOMO nhảy lên LUMO nhờ năng lƣợng chuyển động nhiệt của các electron. Trong trƣờng hợp kích thích bằng ánh sáng, các electron hấp thụ photon để thu nhận đủ năng lƣợng và nhảy lên vùng LUMO. Nhƣ vậy, sẽ tồn tại sự xen phủ giữa các đám mây electron giữa hai vùng HOMO và LUMO nên chất bán dẫn hữu cơ có thể dẫn điện.