Puolijohteet ovat nykyaikaisten elektronisten laitteiden olennaisia osia, ja ne ovat yksi modernin tekniikan perusrakenteista. Jotta aine soveltuisi puolijohdemateriaaliksi, sen on oltava sähkönjohtavuus, joka on hyvin vähän sähköä johtavien eristimien ja johtimien välillä, jotka mahdollistavat sähkön virtaamisen erittäin helposti. Suurin osa puolijohdemateriaaleista on kiteisiä epäorgaanisia kiintoaineita, vaikka myös amorfisista kiintoaineista ja nesteistä valmistettuja puolijohteita on olemassa. Yleisiä puolijohdemateriaaleja ovat pii, gallium -arsenidi ja galliumnitridi, vaikka niitä on muitakin. Näiden primaarimateriaalien lisäksi puolijohteet sisältävät usein myös pieniä määriä muita aineita, joita kutsutaan lisäaineiksi.
Puolijohtavan materiaalin johtavuutta voidaan lisätä altistamalla se sähköenergialle, magneettikentille tai muille ärsykkeille, jotka lisäävät materiaalin elektronien energiatasoja, jolloin osa niistä siirtyy matalan energian valenssikaistalta korkeamman energian, vähemmän tungosta johtava bändi. Tämän ansiosta jännitteiset elektronit voivat liikkua vapaammin materiaalin läpi luoden positiivisesti varautuneita rakoja valenssikaistalle, joita kutsutaan elektronirei’iksi. Tämä mahdollistaa sähkön virtaamisen puolijohteen läpi. Puolijohteen johtavuutta manipuloimalla sitä voidaan käyttää kytkimenä. Puolijohteita käytetään myös aurinkoenergian tuottamiseen ja valoa havaitseviin antureihin, koska ne voivat tuottaa sähkövirtaa, kun tulevat valon fotonit saavat riittävästi jännitettä.
Yleisimmin käytetty puolijohdemateriaali on pii, jaksollisen järjestelmän 14. elementti ja yksi maankuoren yleisimmistä elementeistä. Useimmilla piipuolijohteilla on säännöllinen kiteinen rakenne, jossa niiden atomit on järjestetty, mutta ei -kiteistä tai amorfista piitä voidaan myös käyttää. Amorfisilla piipuolijohteilla on huonompi suorituskyky kuin kiteisellä piillä, mutta amorfista piitä voidaan kerrostaa paljon ohuempiin kerroksiin, mikä voi alentaa materiaalikustannuksia.
Seuraavaksi yleisin puolijohdemateriaali on yhdiste gallium -arsenidi (GaAs). Galliumarseeni on monessa suhteessa parempi kuin pii, kuten nopeampi vaihto ja parempi lämmönkestävyys. Se on kuitenkin myös kalliimpaa ja vaikeampaa käsitellä, joten sitä käytetään yleensä vain sovelluksiin, joissa piitä ei ole riittävästi. Se kärsii myös korkeammasta virrankulutuksesta. Galliumarseenia käytetään yleisesti esimerkiksi nopean elektroniikan ja tehokkaan aurinkokennon kaltaisiin tarkoituksiin.
Toinen puolijohteisiin käytetty galliumyhdiste on galliumnitridi (GaN), joka voi toimia erittäin korkeissa lämpötiloissa ja jännitteissä, ja siksi sitä käytetään usein sovelluksissa, joissa käytetään mikroaaltoja. Galliumnitridiä käytetään myös valodiodeissa (LED) ja korkeataajuisissa laserdiodeissa sekä joissakin armeijan tutkoissa. Se voidaan myös yhdistää toisen puolijohdemateriaalin, indiumnitridin (InN) kanssa, jolloin saadaan seos, jota kutsutaan indium galliumnitridiksi. Indium galliumnitridiä käytetään yleisesti LEDeissä ja se voi myös olla erittäin tehokas materiaali aurinkokennoille.
Puolijohteet sisältävät usein pieniä määriä lisäaineita niiden johtavien ominaisuuksien muuttamiseksi niiden toiminnan mukaan. Piin tavallisia lisäaineita ovat boori, fosfori ja arseeni. Galliumarseenilla ja galliumnitridillä, jotka on seostettu metalleilla, kuten mangaanilla, on sekä puolijohtavia että ferromagneettisia ominaisuuksia.