Poluvodiči su bitne komponente modernih elektroničkih uređaja, pa su tako i jedan od temeljnih građevnih blokova moderne tehnologije. Da bi bila prikladna kao poluvodički materijal, tvar mora imati električnu vodljivost koja se nalazi između izolatora, koji provode vrlo malo električne energije, i vodiča koji omogućuju vrlo lako strujanje. Većina poluvodičkih materijala su kristalne anorganske čvrste tvari, iako postoje i poluvodiči izrađeni od amorfnih krutina i tekućina. Uobičajeni poluvodički materijali uključuju silicij, galijev arsenid i galijev nitrid, iako postoje i drugi. Osim ovih primarnih materijala, poluvodiči često sadrže i male količine drugih tvari, poznatih kao dodatke.
Vodljivost poluvodičkog materijala može se povećati izlaganjem električnoj energiji, magnetskim poljima ili drugim podražajima koji povećavaju energetske razine elektrona materijala, uzrokujući da neki od njih pređu iz niskoenergetskog valentnog pojasa u višeenergetski, manje prepun provodni pojas. To omogućuje elektronima pod naponom da se slobodnije kreću kroz materijal dok stvaraju pozitivno nabijene praznine u valentnom pojasu koji se nazivaju elektronske rupe. To omogućuje struji da teče kroz poluvodič. Manipulirajući vodljivost poluvodiča, može se koristiti kao prekidač. Poluvodiči se također koriste za proizvodnju solarne energije i senzore za detekciju svjetlosti, jer mogu proizvesti tok električne struje kada se na odgovarajući način potaknu dolaznim fotonima svjetlosti.
Najčešće korišteni poluvodički materijal je silicij, 14. element u periodnom sustavu i jedan od najčešćih elemenata u Zemljinoj kori. Većina silicijevih poluvodiča ima pravilnu kristalnu strukturu u kojoj su raspoređeni njihovi atomi, ali se može koristiti i nekristalni ili amorfni silicij. Poluvodiči od amorfnog silicija imaju lošije performanse u odnosu na kristalni silicij, ali amorfni silicij se može taložiti u mnogo tanjim slojevima, što može smanjiti cijenu materijala.
Sljedeći najčešći poluvodički materijal je spoj galijev arsenid (GaAs). Galijev arsenid je superiorniji od silicija u brojnim aspektima, kao što je brže prebacivanje i veća otpornost na toplinu. Međutim, također je skuplji i teži za obradu, pa se obično koristi samo za aplikacije u kojima silicij nije dovoljan. Također pati od veće potrošnje energije. Galijev arsenid se obično koristi u svrhe kao što su elektronika velike brzine i fotonaponske ćelije visoke učinkovitosti.
Još jedan galijev spoj koji se koristi za poluvodiče je galijev nitrid (GaN), koji može funkcionirati na vrlo visokim temperaturama i naponima, pa se često koristi za aplikacije koje uključuju mikrovalove. Galijev nitrid se također koristi u diodama koje emitiraju svjetlost (LED) i visokofrekventnim laserskim diodama, kao i nekim vojnim radarima. Također se može kombinirati s drugim poluvodičkim materijalom, indijevim nitridom (InN), kako bi se dobila smjesa koja se zove indij galijev nitrid. Indij galijev nitrid se obično koristi u LED diodama, a također može biti izuzetno učinkovit materijal za solarne ćelije.
Poluvodiči često sadrže male količine dodataka za promjenu svojih vodljivih svojstava u skladu s njihovom funkcijom. Uobičajene dodatke u siliciju uključuju elemente bor, fosfor i arsen. Galijev arsenid i galijev nitrid dopirani metalima kao što je mangan imaju i poluvodička i feromagnetska svojstva.