对半导体材料可从不同的角度进行分类。例如，根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。在化合物半导体中，有机化合物半导体虽然种类不少，但至今仍处于研究探索阶段。
1.元素半导体
目前已知具有半导体性质的元素有12种，其中最为主要的元素半导体是硅和锗。处于Ⅲ-A 族的只有硼，其熔点高（2300℃），制备单晶困难，而且其载流子迁移率很低，对它的研究不多，未获实际应用。Ⅳ-A族中第一个元素是碳，它的同素异形体之一——金刚石具有优良的半导体性质，但制备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。Ⅳ-A族中第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。再往下是锗，它具有良好的半导体性质，是重要的半导体材料之一。
锡在常温下的同素异形体为β-Sn，属六方晶系，但在 13.2℃以下可变为立方晶系灰锡（α-Sn），灰锡具有半导体性质，但在从β-Sn转化为α-Sn的过程中，体积增大并变成粉末，故难以在实际中应用。
在磷的同素异形体中，只有黑磷具有半导体性质，由于制备黑磷及其单晶的难度较大，所以未获工业应用。
砷的同素异形体之一的灰砷具有半导体性质，但由于制备单晶困难，且其迁移率较低，故未获应用。
硒的半导体性质发现得很早，现用于制作整流器、光电导器件等。
碲的半导体性质已有较多的研究，但因尚未找到N型掺杂剂等原因，未得到应用。
2.化合物半导体
化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。按其构成元素在元素周期表中的位置可分为Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅳ族等。目前还没有找到一个严密的公式可以毫无例外地确定某个化合物是否属于半导体，常用的方法是先找到一个已知的化合物半导体，然后按元素周期表的规律进行替换。例如，砷化镓（GaAs），它是半导体，如果用Ga下面的元素In替换Ga，就变成InAs，也是半导体，同样，如果把As换成P或Sb，同样也是半导体。这种替换是垂直方向的，它服从周期表的规律，即从上往下金属性变强，从下往上非金属性变强，最后就不是半导体了。也可以在周期表中进行横向置换，仍以GaAs为例，Ga向左移变成Zn，As向右移变成Se，ZnSe是半导体。这些置换都要注意原子价的平衡，在垂直移动时，原子价不发生变化，但在横向移动时，就要考虑两个元素同时平移了。同时，在原子价总和不变的前提下也可以用两个元素取代一个元素，例如，ZnSe，Zn是二价，可以用其左右的Cu与Ga取代，即CuGaSe2也是半导体材料。
化合物半导体材料砷化镓和磷化铟（InP）是微电子和光电子的基础材料，其中，砷化镓是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。
砷化镓是由Ⅲ-Ⅴ族元素化合而成的化合物，黑灰色固体，熔点为1238℃。它在600℃以下能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸侵蚀。由于砷化镓具有电子迁移率高（是硅的5～6倍）、禁带宽度大（砷化镓为1.43eV，硅为1.1eV）、本征载流子浓度低、光电特性好以及耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感等优良特性，因此用砷化镓材料制作的器件频率响应好，速度快，工作温度高，能满足集成光电子的需要。砷化镓是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高速的器件和电路。
砷化镓在半导体激光管、光电显示器、光电探测器、太阳能电池等领域被广泛应用。作为太阳能电池材料，砷化镓具有良好的光吸收系数。在波长0.85微米以下，砷化镓的光吸收系数可达104cm-1以上，比硅材料要高一个数量级，而这正是太阳光谱中最强的部分。因此，对于砷化镓太阳能电池而言，只要厚度达到3微米，就可以吸收太阳光谱中约95%的能量。由于砷化镓材料的禁带宽度大，光谱响应特性好，太阳能光电转换理论效率较高，因此砷化镓太阳能电池的效率比硅太阳能电池高。
3.固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。因为不可能做出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。固溶半导体的组成方式多以一种半导体为主，再加入与其中一个或多个组元同族的元素相替代，例如，在 GaAs 中加入与镓同族的铝，成为Ga1-xAlxAs（x表示所占比例，x小于1），也可以使两种半导体材料相溶，如Si1-xGex等。按元素的组成可分为二元、三元（如Ga1-xAlxAs）、四元（如In1-xGaxAs1-y Py，其中，x和y均小于1）；如两种半导体材料属非同族，则称为异族固溶体，如InAs-In2Te3等。
固溶体的优点与特点之一就是可在一定范围内改变材料的电学、晶体学、光学、热学等方面的性质，从而得到广泛的应用。
