Halbleiter sind wesentliche Bestandteile moderner elektronischer Geräte und damit einer der grundlegenden Bausteine moderner Technik. Um als Halbleitermaterial geeignet zu sein, muss ein Stoff eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen der von Isolatoren liegt, die wenig Strom leiten, und Leitern, die den Strom sehr gut fließen lassen. Die meisten Halbleitermaterialien sind kristalline anorganische Feststoffe, obwohl es auch Halbleiter aus amorphen Feststoffen und Flüssigkeiten gibt. Übliche Halbleitermaterialien umfassen Silizium, Galliumarsenid und Galliumnitrid, obwohl es auch andere gibt. Neben diesen Primärmaterialien enthalten Halbleiter oft noch in geringen Mengen weitere Stoffe, sogenannte Dotierstoffe.
Die Leitfähigkeit eines halbleitenden Materials kann erhöht werden, indem es elektrischer Energie, Magnetfeldern oder anderen Reizen ausgesetzt wird, die das Energieniveau der Elektronen des Materials erhöhen, wodurch einige von ihnen vom niederenergetischen Valenzband in das höherenergetische Valenzband wechseln, weniger überfülltes Leitungsband. Dadurch können sich die energetisierten Elektronen freier durch das Material bewegen, während positiv geladene Lücken im Valenzband entstehen, die als Elektronenlöcher bezeichnet werden. Dadurch kann Strom durch den Halbleiter fließen. Durch Manipulation der Leitfähigkeit eines Halbleiters kann dieser als Schalter verwendet werden. Halbleiter werden auch für die Solarstromerzeugung und lichtdetektierende Sensoren verwendet, da sie bei entsprechender Erregung durch einfallende Lichtphotonen einen elektrischen Stromfluss erzeugen können.
Das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Silizium, das 14. Element des Periodensystems und eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Die meisten Siliziumhalbleiter haben eine regelmäßige kristalline Struktur, in der ihre Atome angeordnet sind, aber auch nichtkristallines oder amorphes Silizium kann verwendet werden. Amorphe Siliziumhalbleiter haben im Vergleich zu kristallinem Silizium eine schlechtere Leistung, aber amorphes Silizium kann in viel dünneren Schichten abgeschieden werden, was die Materialkosten senken kann.
Das zweithäufigste Halbleitermaterial ist die Verbindung Galliumarsenid (GaAs). Galliumarsenid ist Silizium in vielerlei Hinsicht überlegen, wie zum Beispiel schnelleres Schalten und höhere Hitzebeständigkeit. Es ist aber auch aufwendiger und schwieriger zu verarbeiten und wird daher meist nur für Anwendungen eingesetzt, bei denen Silizium nicht ausreicht. Es leidet auch unter einem höheren Stromverbrauch. Galliumarsenid wird häufig für Zwecke wie Hochgeschwindigkeitselektronik und hocheffiziente Photovoltaikzellen verwendet.
Eine weitere Galliumverbindung, die für Halbleiter verwendet wird, ist Galliumnitrid (GaN), das bei sehr hohen Temperaturen und Spannungen funktionieren kann und daher häufig für Anwendungen mit Mikrowellen verwendet wird. Galliumnitrid wird auch in Leuchtdioden (LEDs) und Hochfrequenz-Laserdioden sowie in einigen militärischen Radargeräten verwendet. Es kann auch mit einem anderen Halbleitermaterial, Indiumnitrid (InN), kombiniert werden, um eine Mischung namens Indium-Gallium-Nitrid herzustellen. Indium-Gallium-Nitrid wird häufig in LEDs verwendet und kann auch ein äußerst effizientes Material für Solarzellen sein.
Halbleiter enthalten häufig geringe Mengen an Dotierstoffen, um ihre leitfähigen Eigenschaften entsprechend ihrer Funktion zu verändern. Übliche Dotierstoffe in Silizium umfassen die Elemente Bor, Phosphor und Arsen. Mit Metallen wie Mangan dotiertes Galliumarsenid und Galliumnitrid haben sowohl halbleitende als auch ferromagnetische Eigenschaften.