Halbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Metallen und Isolatoren liegt und sich gezielt durch Dotierung, Temperatur, elektrische und optische Anregung einstellen lässt. Ihr zentrales kennzeichnendes Merkmal ist eine Bandstruktur mit einem endlichen Bandabstand (Bandgap) zwischen Valenz- und Leitungsband, typischerweise im Bereich von etwa 0,1–4 eV. Die Größe und Natur dieses Bandabstands (direkt vs. indirekt) bestimmen maßgeblich optische und elektronische Eigenschaften.

Kristallines Silizium (c-Si) ist das technologisch wichtigste anorganische Halbleitermaterial; durch definierte Substitution von Atomen mit Donatoren (n-Typ) oder Akzeptoren (p-Typ) wird die Ladungsträgerkonzentration kontrolliert. n-Typ-Silizium entsteht etwa durch Dotierung mit Phosphor, was zusätzliche Elektronen bereitstellt. Aus p-n-Übergängen werden zentrale Bauelemente wie Dioden, Transistoren und Solarzellen realisiert.

Neben Elementhalbleitern (Si, Ge) spielen Verbindungshalbleiter wie III-V- (z.B. GaAs) und II-VI-Systeme (z.B. ZnO-Halbleiter) eine Schlüsselrolle, insbesondere in Optoelektronik und Hochfrequenzelektronik. Chalkogenid-Halbleiter und mehrkomponentige Selenid-Halbleiter dienen als hocheffiziente Photovoltaikabsorber und in Phasenwechsel-Speichern. Übergangsmetall-Dichalkogenide (z.B. MoS₂) ermöglichen als zweidimensionale Halbleiter neuartige, atomar dünne Bauelemente.

Organische Halbleiter erweitern das Spektrum um lösungsverarbeitbare, mechanisch flexible Materialien für organische Leuchtdioden und gedruckte Elektronik. Insgesamt bilden Halbleiter aufgrund der Kombinierbarkeit struktureller, elektronischer und optischer Freiheitsgrade die Basis moderner Informations-, Energie- und Sensortechnologien.