Рис. 7. Схема формирования зонного энергетического спектра
По мере «сжатия» нашей модели до кристаллической решетки, т.е. когда расстояния между атомами станут равными межатомным расстояниям в твердых телах, взаимодействие между атомами приводит к тому, что энергетические уровни электронов в атомах смещаются, расщепляются и расширяются в энергетические зоны. Образуется так называемый зонный энергетический спектр электронов в кристалле.
Из рис. 7, котором показано расщепление энергетических уровней в зависимости от расстояния r между атомами, видно, что заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних, валентных электронов, наиболее слабо связанных с ядром и имеющих наибольшую энергию, а также более высокие уровни, которые в основном состоянии атома вообще электронами не заняты. Уровни же внутренних электронов либо совсем не расщепляются, либо расщепляются слабо. Таким образом, в твердых телах внутренние электроны ведут себя так же, как в изолированных атомах, валентные же электроны «коллективизированы» — принадлежат всему твердому телу.
Образование зонного энергетического спектра в кристалле является квантовомеханическим эффектом и вытекает из соотношения неопределенностей. В кристалле валентные электроны атомов, связанные слабее с ядрами, чем внутренние электроны, могут переходить от атома к атому сквозь потенциальные барьеры, разделяющие атомы, т.е. перемещаться без изменений полной энергии (это известный в квантовой физике туннельный эффект). Это приводит к тому, что среднее время жизни валентного электрона 
в данном атоме по сравнению с изолированным атомом существенно уменьшается. Время же жизни электрона в каком-либо состоянии связано с неопределенностью его энергии 
(шириной уровня) соотношением неопределенностей 
. При уменьшении увеличивается ширина энергетического уровня . Следовательно, энергетические уровни валентных электронов расширяются в зону дозволенных значений энергии.
Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах закрашенных на рис. 7 областей, называемых разрешенными энергетическими зонами. Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл: чем больше в кристалле атомов, тем теснее расположены уровни в зоне. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10–22 эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными, однако факт конечного числа уровней в зоне играет важную роль для распределения электронов по состояниям.