Halvledare är viktiga komponenter i moderna elektroniska enheter och är därför en av de grundläggande byggstenarna i modern teknik. För att vara lämpligt som halvledarmaterial behöver ett ämne ha en elektrisk ledningsförmåga som ligger mellan den hos isolatorer, som leder mycket lite elektricitet, och ledare, som gör att elektriciteten flyter mycket lätt. De flesta halvledarmaterial är kristallina oorganiska fasta ämnen, även om halvledare gjorda av amorfa fasta ämnen och vätskor också existerar. Vanliga halvledarmaterial inkluderar kisel, galliumarsenid och galliumnitrid, även om andra också finns. Utöver dessa primära material innehåller halvledare ofta även små mängder andra ämnen, så kallade dopämnen.
Ett halvledande materials konduktivitet kan ökas genom att utsätta det för elektrisk energi, magnetiska fält eller andra stimuli som ökar energinivåerna hos materialets elektroner, vilket gör att vissa av dem flyttar från valensbandet med låg energi till högre energi, mindre fullsatt dirigeringsband. Detta gör att de strömsatta elektronerna kan röra sig genom materialet mer fritt samtidigt som de skapar positivt laddade luckor i valensbandet som kallas elektronhål. Detta gör att elektricitet kan flöda genom halvledaren. Genom att manipulera en halvledares konduktivitet kan den användas som en switch. Halvledare används också för solenergigenerering och ljusdetekterande sensorer, eftersom de kan producera ett flöde av elektrisk ström när de på lämpligt sätt aktiveras av inkommande ljusfotoner.
Det vanligaste halvledarmaterialet är kisel, det 14:e grundämnet i det periodiska systemet och ett av de vanligaste grundämnena i jordskorpan. De flesta kiselhalvledare har en regelbunden kristallin struktur där deras atomer är ordnade, men icke-kristallint eller amorft kisel kan också användas. Amorft kiselhalvledare har sämre prestanda jämfört med kristallint kisel, men amorft kisel kan avsättas i mycket tunnare lager, vilket kan minska materialkostnaden.
Det näst vanligaste halvledarmaterialet är föreningen galliumarsenid (GaAs). Galliumarsenid är överlägset kisel i ett antal avseenden, såsom snabbare växling och större motståndskraft mot värme. Det är dock också dyrare och svårare att bearbeta, och används därför vanligtvis endast för applikationer där kisel är otillräckligt. Den lider också av högre strömförbrukning. Galliumarsenid används vanligtvis för ändamål som höghastighetselektronik och högeffektiva fotovoltaiska celler.
En annan galliumförening som används för halvledare är galliumnitrid (GaN), som kan fungera vid mycket höga temperaturer och spänningar och därför ofta används för tillämpningar som involverar mikrovågor. Galliumnitrid används också i lysdioder (LED) och högfrekventa laserdioder, samt vissa militära radarer. Det kan också kombineras med ett annat halvledarmaterial, indiumnitrid (InN), för att producera en blandning som kallas indiumgalliumnitrid. Indiumgalliumnitrid används ofta i lysdioder och kan även vara ett extremt effektivt material för solceller.
Halvledare innehåller ofta små mängder dopämnen för att ändra deras ledande egenskaper enligt deras funktion. Vanliga dopämnen i kisel inkluderar elementen bor, fosfor och arsenik. Galliumarsenid och galliumnitrid dopad med metaller som mangan har både halvledande och ferromagnetiska egenskaper.