Οι ημιαγωγοί είναι βασικά στοιχεία των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών και έτσι αποτελούν ένα από τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της σύγχρονης τεχνολογίας. Για να είναι κατάλληλη ως υλικό ημιαγωγών, μια ουσία πρέπει να έχει ηλεκτρική αγωγιμότητα που να βρίσκεται μεταξύ της αγωγιμότητας των μονωτών, οι οποίοι μεταφέρουν πολύ λίγο ηλεκτρισμό, και των αγωγών που επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να ρέει πολύ εύκολα. Τα περισσότερα ημιαγωγικά υλικά είναι κρυσταλλικά ανόργανα στερεά, αν και υπάρχουν και ημιαγωγοί κατασκευασμένοι από άμορφα στερεά και υγρά. Τα κοινά υλικά ημιαγωγών περιλαμβάνουν το πυρίτιο, το αρσενίδιο του γαλλίου και το νιτρίδιο του γαλλίου, αν και υπάρχουν και άλλα. Εκτός από αυτά τα πρωτογενή υλικά, οι ημιαγωγοί συχνά περιέχουν επίσης μικρές ποσότητες άλλων ουσιών, γνωστών ως προσμίξεις.
Η αγωγιμότητα ενός ημιαγώγιμου υλικού μπορεί να αυξηθεί υποβάλλοντάς το σε ηλεκτρική ενέργεια, μαγνητικά πεδία ή άλλα ερεθίσματα που αυξάνουν τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων του υλικού, προκαλώντας μερικά από αυτά να μετακινηθούν από τη ζώνη σθένους χαμηλής ενέργειας στην υψηλότερη ενέργεια, λιγότερο κατάμεστη μπάντα αγωγιμότητας. Αυτό επιτρέπει στα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια να κινούνται μέσα στο υλικό πιο ελεύθερα, ενώ δημιουργούνται θετικά φορτισμένα κενά στη ζώνη σθένους που ονομάζονται οπές ηλεκτρονίων. Αυτό επιτρέπει στον ηλεκτρισμό να ρέει μέσω του ημιαγωγού. Με το χειρισμό της αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διακόπτης. Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται επίσης για την παραγωγή ηλιακής ενέργειας και τους αισθητήρες ανίχνευσης φωτός, επειδή μπορούν να παράγουν ροή ηλεκτρικού ρεύματος όταν ενεργοποιούνται κατάλληλα από τα εισερχόμενα φωτόνια φωτός.
Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό ημιαγωγών είναι το πυρίτιο, το 14ο στοιχείο στον Περιοδικό Πίνακα και ένα από τα πιο κοινά στοιχεία στον φλοιό της Γης. Οι περισσότεροι ημιαγωγοί πυριτίου έχουν μια κανονική κρυσταλλική δομή στην οποία είναι διατεταγμένα τα άτομα τους, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί μη κρυσταλλικό ή άμορφο πυρίτιο. Οι ημιαγωγοί άμορφου πυριτίου έχουν κατώτερη απόδοση σε σύγκριση με το κρυσταλλικό πυρίτιο, αλλά το άμορφο πυρίτιο μπορεί να εναποτεθεί σε πολύ λεπτότερα στρώματα, γεγονός που μπορεί να μειώσει το κόστος υλικού.
Το επόμενο πιο κοινό υλικό ημιαγωγών είναι η ένωση αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs). Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι ανώτερο από το πυρίτιο από πολλές απόψεις, όπως η ταχύτερη εναλλαγή και η μεγαλύτερη αντοχή στη θερμότητα. Ωστόσο, είναι επίσης πιο δαπανηρή και πιο δύσκολη στην επεξεργασία, και έτσι χρησιμοποιείται συνήθως μόνο για εφαρμογές στις οποίες το πυρίτιο είναι ανεπαρκές. Υποφέρει επίσης από υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας. Το αρσενίδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται συνήθως για σκοπούς όπως ηλεκτρονικά υψηλής ταχύτητας και φωτοβολταϊκά στοιχεία υψηλής απόδοσης.
Μια άλλη ένωση γαλλίου που χρησιμοποιείται για ημιαγωγούς είναι το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), το οποίο μπορεί να λειτουργήσει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις και έτσι χρησιμοποιείται συχνά για εφαρμογές που περιλαμβάνουν μικροκύματα. Το νιτρίδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται επίσης σε διόδους εκπομπής φωτός (LED) και σε διόδους λέιζερ υψηλής συχνότητας, καθώς και σε ορισμένα στρατιωτικά ραντάρ. Μπορεί επίσης να συνδυαστεί με ένα άλλο ημιαγωγικό υλικό, το νιτρίδιο του ινδίου (InN), για να παραχθεί ένα μείγμα που ονομάζεται νιτρίδιο του γαλλίου του ινδίου. Το νιτρίδιο του γαλλίου ινδίου χρησιμοποιείται συνήθως σε LED και μπορεί επίσης να είναι ένα εξαιρετικά αποδοτικό υλικό για ηλιακά κύτταρα.
Οι ημιαγωγοί συχνά περιέχουν μικρές ποσότητες προσμίξεων για να αλλάξουν τις αγώγιμες ιδιότητες τους ανάλογα με τη λειτουργία τους. Τα κοινά πρόσθετα στο πυρίτιο περιλαμβάνουν τα στοιχεία βόριο, φώσφορο και αρσενικό. Το αρσενίδιο του γαλλίου και το νιτρίδιο του γαλλίου εμποτισμένα με μέταλλα όπως το μαγγάνιο έχουν τόσο ημιαγώγιμες όσο και σιδηρομαγνητικές ιδιότητες.