Các vật liệu bán dẫn bình thường là các chất cách điện khe vùng nhỏ (band gap insulators). Thuộc tính xác định của vật liệu bán dẫn là nó có thể được pha tạp với các tạp chất làm thay đổi tính chất điện tử của nó theo một cách có thể điều khiển được.
Do ứng dụng của các chất bán dẫn trong ngành công nghiệp máy tính và quang điện – trong các thiết bị như bóng bán dẫn, laser và pin mặt trời – việc tìm kiếm vật liệu bán dẫn mới và cải tiến vật liệu hiện có là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học vật liệu.
Vật liệu bán dẫn thường được sử dụng nhất là các chất rắn vô cơ tinh thể. Các vật liệu này được phân loại theo các nhóm bảng tuần hoàn của các nguyên tử cấu thành của chúng.
Các vật liệu bán dẫn khác nhau khác nhau về tính chất của chúng. Vì vậy, so với silicon, chất bán dẫn phức hợp có cả ưu điểm và nhược điểm.
Ví dụ, gallium arsenide (GaAs) có tính di động cao gấp 6 lần so với silicon, cho phép vận hành nhanh hơn; khe vùng rộng hơn, cho phép vận hành các thiết bị nguồn ở nhiệt độ cao hơn, và giảm tiếng ồn nhiệt xuống các thiết bị công suất thấp ở nhiệt độ phòng; khe vùng trực tiếp (direct band gap) của nó mang lại cho nó các đặc tính quang điện thuận lợi hơn so với khe vùng gián tiếp (indirect band gap) của silic; nó có thể được hợp kim hoá thành các thành phần bậc ba và bậc bốn, với độ rộng khe vùng có thể điều chỉnh được, cho phép phát xạ ánh sáng ở các bước sóng được chọn, và cho phép ví dụ phù hợp với bước sóng với tổn thất thấp nhất trong sợi quang.
GaAs cũng có thể được phát triển ở dạng bán cách điện, thích hợp làm chất nền cách điện phù hợp với mạng lưới cho các thiết bị GaAs. Ngược lại, silicon mạnh mẽ, giá rẻ và dễ xử lý, trong khi GaAs thì dễ vỡ và đắt tiền, và các lớp cách nhiệt không thể được tạo ra bằng cách chỉ phát triển một lớp oxit; GaAs do đó chỉ được sử dụng khi silicon không đủ.
Bằng cách hợp kim hoá nhiều hợp chất, một số vật liệu bán dẫn có thể điều chỉnh được, ví dụ, trong khe vùng hoặc hằng số mạng. Kết quả là tạo ra thành phần tam phân, tứ phân hoặc thậm chí ngũ phân (quinary compositions).
Thành phần tam phân cho phép điều chỉnh khe vùng trong phạm vi các hợp chất nhị phân có liên quan; tuy nhiên, trong trường hợp kết hợp các vật liệu khe vùng trực tiếp và gián tiếp, có một tỷ lệ mà ở đó khe vùng gián tiếp chiếm ưu thế, hạn chế phạm vi có thể sử dụng cho quang điện tử; ví dụ, đèn LED AlGaAs được giới hạn tới 660 nm bằng cách này.
Hằng số mạng của các hợp chất cũng có xu hướng khác nhau, và mạng không phù hợp (mismatch) với chất nền, phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn, gây ra các khuyết tật về số lượng phụ thuộc vào độ lớn không phù hợp; điều này ảnh hưởng đến tỷ lệ tái tổ hợp bức xạ/không bức xạ (radiative/nonradiative) đạt được và xác định hiệu quả phát sáng của thiết bị.
Các thành phần tứ phân và cao hơn cho phép điều chỉnh đồng thời khe vùng và hằng số mạng, cho phép tăng hiệu quả phát sáng ở phạm vi rộng hơn của các bước sóng; ví dụ AlGaInP được sử dụng cho đèn LED. Các vật liệu trong suốt với bước sóng ánh sáng tạo ra là lợi thế, vì điều này cho phép tách các photon từ phần lớn vật liệu hiệu quả hơn. Tức là, trong các vật liệu trong suốt như vậy, việc sản xuất ánh sáng không chỉ giới hạn ở bề mặt. Chỉ số khúc xạ cũng phụ thuộc vào thành phần và ảnh hưởng đến hiệu quả tách photon từ vật liệu.
Hiện nay, trên thế giới các công ty Hamamatsu (Nhật Bản) và Epitaxx (Mỹ) có thể sản xuất các photodiode hồng ngoại trung (mid-infrared spectral range).
Viện Vật lý Kỹ thuật A.F. Ioffe thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, St. Petersburg, Liên bang Nga là viện hàng đầu về vật lý tại Liên bang Nga, đã phát triển thành công photodiode tốc độ cao (lên đến 2-5 MHz) dựa trên dung dịch rắn GaInAsSb/AlGaAsSb dành cho dải sóng quang phổ 1,6-2,4 micron, và photodiode sóng dài làm việc ở nhiệt độ phòng dựa trên Inas/InAsSbP là dành cho dải sóng hồng ngoại 2 -5 micron.
