Un semiconductor és un material que es comporta com un aïllant a molt baixa temperatura, però que presenta certa conductivitat elèctrica a temperatura ambient essent possible de controlar aquesta conductivitat per mitjà de l'addició d'impureses. Un semiconductor és un aïllant amb la banda electrònica de conducció prou poblada a temperatura ambient. Els semiconductors presenten una resistivitat elèctrica a mig camí entre la dels conductors i la dels aïllants, i aquesta resistivitat pot variar amb la presència d'un camp elèctric extern. En un conductor metàl·lic el corrent elèctric és provocat per un flux d'electrons mentre que a un semiconductor el corrent pot ser tant a causa d'un flux d'electrons com de forats de l'estructura electrònica del material. miniatura|Una oblia, una llesca monocristal·lina de silici molt prima, amb microcomponents electrònics. Els dispositius fabricats a partir dels semiconductors són la base de l'electrònica moderna com la ràdio, la televisió, els ordinadors, els telèfons i molts d'altres ginys de la nostra vida diària. Alguns dispositius semiconductors són el transistor, la cèl·lula fotoelèctrica, molts tipus de díodes com els LED, els tiristors o els circuits integrats analògics i digitals. Els panells solars fotovoltaics són aparells formats per cel·les fotovoltaiques, basades en materials semiconductors, que converteixen directament l'energia lumínica en energia elèctrica.
El silici s'utilitza en la fabricació de la majoria dels productes comercials basats en materials semiconductors. També s'utilitzen en menor escala desenes d'altres tipus de material, com per exemple el germani, l'arsenur de gal·li o el carbur de silici. Els semiconductors en estat pur acostumen a rebre el nom de semiconductors intrínsecs. La conductivitat elèctrica dels semiconductors més comuns pot ser canviada radicalment per mitjà de l'addició d'altres elements anomenats impureses al material intrínsec i deixant que la barreja solidifiqui en un nou i diferent tipus de cristall. Aquest procés rep el nom de dopatge.Semiconductor Compendium of Chemical Terminology, edició d'internet. Unió Internacional de Química Pura i Aplicada.
Història miniatura|El silici és amb molta diferència el material més utilitzat a la indústria dels semiconductors. A la imatge es mostra un fragment de silici policristal·lí utilitzat per produir silici monocristal·lí utilitzable per fer dispositius electrònics. miniatura|Silici monocristal·lí obtingut a través del procés Czochralski, d'aquí en sortiran les oblies o llesques que serviran per crear els circuits integrats electrònics. miniatura|Estructura de bandes d'un semiconductor de tipus N. Els cercles negres representen els electrons a la banda de conducció (taronja), mentre que els blancs serien els forats a la banda de valència (blau). La imatge mostra que els electrons són els portadors de càrrega majoritaris. miniatura|Estructura de bandes d'un semiconductor de tipus P. Els cercles negres representen els electrons a la banda de conducció (taronja), mentre que els blancs serien els forats a la banda de valència (blau). La imatge mostra que els forats són els portadors de càrrega majoritaris. El 1727 Stephen Gray va descobrir la diferència entre conductors i aïllants. Després, el 1821, Georg Simon Ohm publica les lleis que porten el seu nom i que descriuen la proporcionalitat entre el corrent i el voltatge a un conductor i també és possible determinar la conductivitat elèctrica de qualsevol objecte.
El 1874, el Premi Nobel Karl Ferdinand Braun va observar que a certs cristalls semiconductors la resistència variava amb la direcció, la intensitat i la duració del corrent aplicat. Va descriure per primera vegada que la resistència podia ser variable. Braun va patentar el rectificador de cristall el 1899. Aquest descobriment permetria més tard, a finals del , l'aparició del primer receptor de ràdio, i del primer díode semiconductor a principis del . Els primers materials semiconductors estudiats foren sulfurs metàl·lics com el de ferro i plom.
El 20 de novembre de 1906 Greenleaf Whittier Pickard va obtenir la primera patent per un díode de punta http://www.porticus.org/bell/belllabs_transistor1.html Jed Margolin: The Road to the Transistor. 2004 (Patent dels EUA 836.531), un fotodetector de cristall de silici que demodulava el senyal portador en un receptor de cristall semiconductor. En un primer moment es va utilitzar la galena com a material semiconductor, però als anys 1920 van aparèixer díodes més potents i robustos a base de sulfur de coure.
El funcionament dels dispositius basats en semiconductors pertanyents als metalls de transició no era entès amb claredat malgrat que es van utilitzar tècnicament durant dècades. Walter Schottky va ser el primer a proposar una teoria (1939) per descriure el funcionament del díode que més tard rebria el seu nom, el díode Schottky.
La primera patent sobre el principi del transistor va arribar el 1925 de la mà de Julius Edgar Lilienfeld, un físic nord-americà d'origen austrohongarès, (patent dels EUA 1.745.175).Julius Edgar Lilienfeld:Method And Apparatus For Controlling Electric Currents. registre inicial el 22 d'octubre del 1925 al Canadà. Lilienfeld va descriure al seu treball un component electrònic que grosso modo és comparable als actuals transistors d'efecte camp, tanmateix en aquell no existia la tecnologia necessària per la seva utilització pràctica.Reinhold Paul:field effect transistors - Physical principles and properties .Verlag Berliner Union [ua], Stuttgart 1972,
El 1947 als Laboratoris Bell els científics John Bardeen, William Bradford Shockley i Walter Houser Brattain van crear el primer prototip funcional de transistor, van observar que quan els contactes elèctrics s'apliquen a un cristall de germani, la potència de sortida era més gran que la d'entrada. Es tractava d'un transistor bipolar amb contactes de punta (tècnica que ja s'aplicava als díodes) que es premien sobre la placa d'un cristall de germani molt pur i de tipus N. Els tres van rebre el Premi Nobel el 1956 per la seva contribució en el camp dels semiconductors i la descoberta de l'efecte transistor. Amb ells naixia la microelectrònica.
La producció de silici d'alta puresa va arribar el 1954 gràcies al físic alemany Eberhard Spenke i el seu equip de la companyia Siemens & Halske AG (avui Siemens AG) amb la utilització de la tècnica de purificació denominada mètode de la zona fosa (Zonenschmelzverfahren). Això va comportar que a mitjans dels anys 1950 hi hagués disponibilitat d'un material aïllant com el diòxid de silici amb propietats adequades (no és soluble en aigua com el germani, és fàcil de produir, etc.) com a semiconductor per a la indústria electrònica i uns trenta anys més tard per a la indústria dels microsistemes elctromecànics. Avui dia (2009) per a la fabricació dels circuits integrats s'utilitza gairebé en exclusiva l'anomenat procés Czochralski pel seu baix cost.
El 1976 Alan Heeger, Alan MacDiarmid i Hideki Shirakawa van observar que un dopatge de poliacetilè (un polímer que es comporta com un aïllant en estat no dopat) amb agents oxidants provocava un canvi de la seva resistivitat fins a valors de 10−5 Ω·m (la de l'argent és de ≈10−8 Ωm). L'any 2000 van rebre el Premi Nobel de Química pel descobriment i desenvolupament dels polímers conductors (semiconductors orgànics). Hideki Shirakawa, Edwin J. Louis, Alan G. MacDiarmid, Chwan K. Chiang, Alan J. Heeger; Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH)x, Chemical Communications, Número 16. 1977. DOI:10.1039/C39770000578 C. K. Chiang, C. R. Fincher, Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, S. C. Gau, A. G. MacDiarmid. Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene Physical Review. Número 17. 1977. DOI:10.1103/PhysRevLett.39.1098
Física fonamental dels semiconductors Dins de la física de l'estat sòlid, els semiconductors (com els aïllants) es defineixen com a sòlids que a 0 K, i sense altra excitació, la seva banda energètica superior dels estats d'energia dels electrons està completament plena. La conducció elèctrica als sòlids només es dona per mitjà d'electrons en capes electròniques incompletes, així doncs un semiconductor només pot conduir quan els electrons han estat excitats (tèrmicament, òpticament...) a capes incompletes.
A temperatura ambient, una part (molt petita, però no negligible) dels electrons a un semiconductor han estat tèrmicament excitats des de la banda de valència (completa a 0 K) fins a la capa de conducció (la banda justament superior). La facilitat amb què els electrons poden ser excitats des de la capa de valència a la de conducció depèn de l'energia que les separa, i és aquesta quantitat d'energia el que serveix com a criteri de divisió entre semiconductors i aïllants. Els semiconductors solen necessitar 1 eV d'energia, aproximadament, i els aïllants en solen necessitar una quantitat diverses vegades superior.
Quan els electrons són excitats des de la banda de valència a la de conducció a un semiconductor, ambdues bandes contribueixen a la conducció, perquè les dues queden incompletes. Els electrons que constitueixen el corrent elèctric s'anomenen "electrons lliures", però se'ls coneix simplement com a "electrons" si el context ho permet. Els estats d'energia lliures que queden a la capa de valència es coneixen com a "forats". Es pot demostrar que els forats es comporten quasi com a càrregues positives oposades als electrons, i es tracten sovint com si realment tingueren existència física.
Dopatge dels semiconductors Una de les principals raons per la qual els semiconductors són útils en electrònica és que les seves propietats electròniques es poden controlar afegint-los impureses. Aquestes s'anomenen dopants, i afegeixen electrons o forats addicionals. Un semiconductor amb electrons de més es diu del tipus N, mentre que el que té forats addicionals és anomenat del tipus P.
Els dopants més comuns del tipus N per al silici són el fòsfor i l'arsènic. Vegeu com aquests dos elements pertanyen al grup V de la taula periòdica, mentre el silici és del grup IV. Quan el silici es dopa amb àtoms d'arsènic o fòsfor, aquests substitueixen als àtoms de silici al cristall semiconductor, però com que tenen un electró de més, aquest té tendència a ocupar la banda de conducció. Per altra banda, el dopant de tipus P més utilitzat és el bor, del grup III, al que li falta un electró a la banda de valència, i per això contribueix amb forats addicionals.
Dopant intensament un semiconductor pot incrementar la seva conductivitat per un factor major que mil milions. Actualment als semiconductors s'utilitza el silici policristal·lí, una forma molt dopada de silici, com a conductor substitut dels metalls.
Semiconductors intrínsecs Un semiconductor intrínsec és aquell prou pur perquè les impureses no afectin apreciablement el seu comportament elèctric. En aquest cas els portadors de càrrega es creen excitant els electrons de la banda de valència òpticament o tèrmicament. Així doncs, hi ha el mateix nombre d'electrons i forats als semiconductors intrínsecs. Els electrons i els forats es traslladen en direccions oposades en presència d'un camp elèctric, però contribueixen al flux de càrrega en la mateixa direcció, ja que presenten càrregues oposades. El corrent produït pels electrons i els forats no ha de ser necessàriament igual a un semiconductor intrínsec, ja que tenen una massa efectiva diferent.