A félvezetőkben a vezetés a vegyértéksávban és a vezetési sávban valósul meg mindkét sávban az elektronok mozgásának köszönhetően. Azonban, amíg a vezetési sávban delokalizált elektronok mozoghatnak, addig a vegyértéksávban az elektronok a vegyértéksáv gerjesztéssel betöltetlenné vált elektronállapotaiban (lyuk) való ugrálással. A vegyértéksávban az elektronok egyik kötött állapotból történik a másik kötött állapotba ugrálnak, végül a mozgásuk következtében úgy néz ki, mintha ebben az esetben az elektronokkal szemben mozogva a lyukak hoznák létre a vezetést.
A töltéshordozók eloszlását (elektronok és a lyukak) eloszlását a félvezető kristályban a Fermi-eloszlás[1] (Fermi-Dirac-statisztika) határozza meg:

Az i-edik állapotban, amelyben a részecske energiája εi, w(εi) a betöltési valószínűség (a Fermi-féle eloszlásfüggvény elektronok és lyukak esetén), μ[2] a kémiai potenciál. Ha ε = μ, akkor a w(ε) = 1/2, azaz a μ kémiai potenciálú állapotok betöltöttségének valószínűsége 50%.
A tiszta félvezetők esetében a μ (Fermi-energia) értéke jó közelítéssel a vegyérték sáv felső energiaszintje és vezetési sáv alsó energiaszintje között van középen.

w(ε) = ½-ből az következik, hogy az 50% valószínűséggel betöltött állapot a tiltott sáv közepén van. Ebből azonban nem következik az, hogy a tiltott sávban töltéshordozók lennének, mindössze annyit jelent, hogy az ε energiaállapot betöltöttsége termikus egyensúly esetén milyen valószínűségű.
A p-típusú félvezetők esetében a kémiai potenciál a vegyértéksáv fölé, annak közelébe (a vegyértéksáv és akceptor nívó közé) süllyed, amíg az n-típusú félvezetők esetében a vezetési sáv alá, annak közelébe (a vezetési sáv és donornívó közé) emelkedik.
Tiszta félvezetők esetében a vezetési elektronok és lyukak száma exponenciálisan függ a hőmérséklettől.
A Fermi-szint (kémiai potenciál) eltolódása miatt pl. az n-típusú félvezetőknél az elektronok koncentrációja nő, a lyukaké viszont csökken. A hőmérséklet emelkedésével egy idő után a donornívó kiürül, ebben az esetben a vezetési elektronok száma megegyezik a donorszennyező koncentrációval. Ezt a hőmérséklet tartományt nevezzük telítési zónának. További hőmérséklet növekedés következtében a vegyértéksáv elektronjai gerjesztődnek a vezetési sávba.[3]A kémiai potenciál ismeretére azért van szükség, mert két különböző szennyezettségű félvezető érintkezésével indokolhatóvá válik a határréteg kialakulása és viselkedése. Egymással kölcsönhatásba kerülő két különböző kémiai potenciálú rendszer termikus egyensúlyban arra törekszik, hogy a kémiai potenciáljaik kiegyenlítődjenek.

 

[1] University of Cambridge: The Fermi–Dirac Distribution
[2] a μ-t szokás Fermi-energiának is nevezni, és EF-fel jelölni.
[3] Amennyiben a donor elektronok száma sokkal kisebb a vezetési sávban, mint a vegyértéksávból gerjesztett elektronok száma, akkor a félvezető a tiszta félvezetőhöz hasonlóan viselkedik.