Los semiconductores son componentes esenciales de los dispositivos electrónicos modernos y, por lo tanto, son uno de los componentes fundamentales de la tecnología moderna. Para ser adecuada como material semiconductor, una sustancia debe tener una conductividad eléctrica que se encuentre entre la de los aislantes, que conducen muy poca electricidad, y los conductores, que permiten que la electricidad fluya con mucha facilidad. La mayoría de los materiales semiconductores son sólidos inorgánicos cristalinos, aunque también existen semiconductores hechos de sólidos y líquidos amorfos. Los materiales semiconductores comunes incluyen silicio, arseniuro de galio y nitruro de galio, aunque también existen otros. Además de estos materiales primarios, los semiconductores a menudo también contienen pequeñas cantidades de otras sustancias, conocidas como dopantes.
La conductividad de un material semiconductor se puede aumentar sometiéndolo a energía eléctrica, campos magnéticos u otros estímulos que aumentan los niveles de energía de los electrones del material, haciendo que algunos de ellos se muevan de la banda de valencia de baja energía a la de mayor energía, menos banda de conducción abarrotada. Esto permite que los electrones energizados se muevan a través del material más libremente mientras crean espacios con carga positiva en la banda de valencia llamados agujeros de electrones. Esto permite que la electricidad fluya a través del semiconductor. Al manipular la conductividad de un semiconductor, se puede utilizar como interruptor. Los semiconductores también se utilizan para la generación de energía solar y los sensores de detección de luz, porque pueden producir un flujo de corriente eléctrica cuando se activan adecuadamente con los fotones de luz entrantes.
El material semiconductor más utilizado es el silicio, el decimocuarto elemento de la tabla periódica y uno de los elementos más comunes en la corteza terrestre. La mayoría de los semiconductores de silicio tienen una estructura cristalina regular en la que están dispuestos sus átomos, pero también se puede utilizar silicio no cristalino o amorfo. Los semiconductores de silicio amorfo tienen un rendimiento inferior en comparación con el silicio cristalino, pero el silicio amorfo se puede depositar en capas mucho más delgadas, lo que puede reducir el costo del material.
El siguiente material semiconductor más común es el compuesto arseniuro de galio (GaAs). El arseniuro de galio es superior al silicio en varios aspectos, como una conmutación más rápida y una mayor resistencia al calor. Sin embargo, también es más costoso y más difícil de procesar, por lo que generalmente se usa solo para aplicaciones en las que el silicio es inadecuado. También sufre un mayor consumo de energía. El arseniuro de galio se usa comúnmente para fines como la electrónica de alta velocidad y las células fotovoltaicas de alta eficiencia.
Otro compuesto de galio que se usa para semiconductores es el nitruro de galio (GaN), que puede funcionar a temperaturas y voltajes muy altos y, por lo tanto, se usa a menudo para aplicaciones que involucran microondas. El nitruro de galio también se utiliza en diodos emisores de luz (LED) y diodos láser de alta frecuencia, así como en algunos radares militares. También se puede combinar con otro material semiconductor, nitruro de indio (InN), para producir una mezcla llamada nitruro de galio indio. El nitruro de indio y galio se usa comúnmente en los LED y también puede ser un material extremadamente eficiente para las células solares.
Los semiconductores suelen contener pequeñas cantidades de dopantes para alterar sus propiedades conductoras según su función. Los dopantes comunes en el silicio incluyen los elementos boro, fósforo y arsénico. El arseniuro de galio y el nitruro de galio dopado con metales como el manganeso tienen propiedades tanto semiconductoras como ferromagnéticas.