Puolijohteella tarkoitetaan materiaalia, jonka johtavuutta voidaan säätää eristeestä johtimeen. Tieteen ja teknologian tai taloudellisen kehityksen näkökulmasta katsottuna puolijohteiden merkitys on erittäin suuri. Suurin osa tämän päivän elektronisista tuotteista, kuten tietokoneista, matkapuhelimista tai digitaalisista tallentimista, liittyy läheisesti puolijohteisiin. Yleisiä puolijohdemateriaaleja ovat pii, germanium, galliumarsenidi jne., ja pii on yksi vaikutusvaltaisimmista puolijohdemateriaaleista kaupallisissa sovelluksissa.
Materiaalin johtavuus määräytyy johtavuuskaistan sisältämien elektronien lukumäärän mukaan. Kun elektronit saavat energiaa valenssikaistalta ja hyppäävät johtavalle kaistalle, elektronit voivat liikkua vapaasti vyöhykkeiden välillä ja johtaa sähköä. Tavallisten metallimateriaalien johtavan kaistan ja valenssikaistan välinen energiarako on hyvin pieni. Huoneenlämmössä elektronit saavat helposti energiaa ja hyppäävät johtavalle kaistalle johtamaan sähköä. Eristysmateriaaleja on kuitenkin vaikea hypätä johtavalle kaistalle suuren energiavälin vuoksi (yleensä suurempi kuin 9 elektronivolttia), joten ne eivät voi johtaa sähköä.
Yleisen puolijohdemateriaalin energiarako on noin 1-3 elektronivolttia, joka on johtimen ja eristeen välissä. Siksi materiaali voi johtaa sähköä niin kauan kuin se viritetään energialla sopivissa olosuhteissa tai sen energiaraon väliä muutetaan.
Puolijohteet välittävät virtaa elektronin johtumisen tai aukkojohtamisen kautta. Elektronien johtamistapa on samanlainen kuin virran virtaus kuparilangassa, eli sähkökentän vaikutuksesta voimakkaasti ionisoidut atomit siirtävät ylimääräisiä elektroneja siihen suuntaan, jossa negatiivinen ionisaatioaste on alhainen. Reiän johtavuus viittaa virtaan (jota kutsutaan yleisesti positiiviseksi virraksi), jotka muodostuvat "rei'istä", jotka muodostuvat elektronien puuttumisesta atomiytimen ulkopuolella positiivisesti ionisoiduissa materiaaleissa. Sähkökentän vaikutuksesta reiät täyttyvät pienellä määrällä elektroneja ja saavat reiät liikkumaan.
