半導體是導電性介于導體（金屬）與絕緣體（陶瓷、石頭）之間的物質，包括硅、鍺。
利用半導體制作電子組件的目的在于：不像導體絕對導電、絕緣體完全不導電；藉由注入雜質，可以精準地調整半導體的導電性。由于硅擁有較大的能隙、可以有較大雜質摻雜范圍，所以可以被利用來制作重要的半導體電子組件晶體管 (Transistor)。
由于發明了晶體管，這個年代成為人類科技文明進步最快的年代，電子技術與計算機工業才開始了長足的發展，堪稱二十世紀最偉大的發明之一。
發明晶體管的蕭克利 (Shockley)、巴丁 (Bardeen) 與布拉頓 (Brattain) 三位物理學家在1956年共同榮獲諾貝爾獎。
1956年，蕭克利在舊金山南方成立蕭克利半導體實驗室 (Shockley Semiconductor Lab)，帶動美國硅谷 (Silicon Valley) 的蓬勃發展，硅谷一名稱系由半導體原料硅而來。
講到硅谷的發展成因與歷史，絕對不能不提蕭克利半導體實驗室的影響。一個天才的創業會引來眾多天才的投奔，因此當時一堆優秀人才趨之若鶩地跑到蕭克利的實驗室來；但后來因蕭克利暴躁又疑神疑鬼的性格，又紛紛辭職離去，被蕭克利怒稱為「八叛徒」（The Traitorous Eight）。
八位叛徒中，包括了諾伊斯 (Noyce)、摩爾 (Moore，就是摩爾定律的那個摩爾！) 等人，他們隨后成立了快捷半導體 (Fairchild Semiconductor)，成為了第一家將硅晶體管商業化的公司。
這家公司最重要不是它的產品、而是影響力——快捷可說是硅谷人才的搖籃，創始人和員工出來開的公司和投資的公司在灣區超過 130家上市企業，里面包括了 Intel、AMD 等公司，市值達 21 萬億美元。對硅谷乃至當今時代的科技發展都有著不可或缺的影響和作用。
好啦此為后話不提，讓我們回來看看硅谷發展一切的源頭——晶體管到底是什么。
晶體管的主要功能有兩個：「放大信號」與「開關」。
晶體管就像是數字信號的「收音機」──收音機的原理是將微弱的信號放大、用喇叭發聲出來，晶體管能將信號的電流放大；而數字信號是由0與1組成，1代表著電流「開」、0代表著電流「關」，晶體管以每秒超過 1千億次的開關來運作，讓電流以特定方式通過。
這邊讓我們來簡單談談晶體管的運作原理。
晶體管由硅組成，而硅是 4 顆電子。在硅半導體中加入元素磷，具有 5 顆電子、比硅多一顆電子(-)變成 N 型晶體管 (Negative)。
另外加入元素硼，具有 3 顆電子、 比硅少一顆電子(-)變成 P 型晶體管 (Positive) 。晶體管兩端可以通電，稱為「源極」和「汲極」。
由于P型和N型分別多了電子和少了電子，所以晶體管在 N 型和 P 型接起來的狀態下電子不會流通，此時電流開關為「關」。
為了達到開關的效果，我們使用第三個電極「閘極」(Gate) 取代機械按鈕開關；閘極間以氧化層和半導體隔絕。若我們在閘極上方施以正電電壓，讓 N 型多出來的電子能夠重新流通、并從源極流到汲極，此時電流開關為「開」。
上述即為半導體組件晶體管如何藉由加入雜質(磷、硼)來控制導電性、進而控制電流開關的原理。
但是這數億個晶體管在哪里呢？你可能正在心想：「我手機有大到能放進數億個晶體管？」
答案是：晶體管是納米等級，比人體細胞還要小。三星以及臺積電在先進半導體制程的 14 納米與 16 納米之爭，14 納米指的就是晶體管電流通道的寬度。寬度越窄、耗電量越低；然而原子的大小約為 0.1 納米，14 納米的通道僅能供一百多顆原子通過。故制作過程中只要有一顆原子缺陷、或者出現一絲雜質，就會影響產品的良率。
對于半導體大廠而言，制程是技術，但良率才是其中的關鍵Know-how。一般能將良率維持在八成左右已經是非常困難的事情了，臺積電與聯電的制程良率可以達到九成五以上，可見臺灣晶圓代工的技術水平。
事實上，這數億個晶體管，全部都塞在一個長寬約半公分、指甲大小的芯片上。這片芯片包含晶體管等電子組件，就叫做「集成電路」(Integrated Circuit, IC)，俗稱IC。
所謂的大規模集成電路 (LSI, Large Scale Integration) 代表的不是這個電路板很大，而是上面約一萬個晶體管；超大規模集成電路 (VLSI, Very Large Scale Integration) 則約有十萬個晶體管。
在集成電路出現之前，工業界必須各自生產晶體管、二極管、電阻、電容等電子組件，再把所有組件連接起來做成電路，不但復雜又耗時費工。故若能直接依照設計圖做出一整個電路板，將能更加精確、速度更快且成本更低。
德州儀器公司的基爾比 (Jack St. Clair Kilby) 是第一個想到要把組件放到芯片上集體化的發明人，在1958年他試驗成功，開辟了一個嶄新的計算機技術時代，甚至很多學者認為由集成電路所帶來的數字革命是人類歷史中最重要的事件。基爾比也因此于2000年獲得諾貝爾物理獎。
集成電路的制作過程分為以下步驟。
如同在蓋房子之前，建筑設計師必須畫出設計圖，規劃房間分布、使用材料；在制作半導體芯片時，工程師會畫出電路圖 (Circuit Diagram)，規劃一個芯片上應該要具備的功能 (包括算術邏輯、記憶功能、 浮點運算、 數據傳輸)、各個功能分布在芯片上的區域，與制作所需的電子組件。
接下來，工程師會使用硬件描述語言 (HDL) 將電路圖描寫出來。
待確認無誤后再將 HDL 程序代碼放入電子設計自動化工具 (EDA tool)，讓計算機將程序代碼轉換成電路圖。
設計師設計完房子后，就需要將電路設計圖交由建筑工人將房子蓋出來。蓋房子需要地基，制作芯片也要，安置所有電子組件的基板就是「晶圓」(Wafer)。
首先，晶圓制造廠會將硅純化、溶解成液態，再從中拉出柱狀的硅晶柱，上面有一格一格的硅晶格，后續可供晶體管安置上去。
也由于硅晶格的排列是安裝電子組件的關鍵，「拉晶」的步驟非常重要──晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉一邊成型，旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的質量。
接下來，晶圓廠會用鉆石刀像切火腿一般，將一整條的晶柱切成一片片的薄片，再經過拋光后，就變成了「晶圓」(Wafer)，也就是芯片的基板；晶圓上面的晶格可供晶體管置入。
晶圓(Wafer)上面的晶格可供晶體管置入。
常聽到的8吋、12吋晶圓廠，代表的就是硅晶柱切成薄片后的晶圓直徑，而整塊晶圓可以再被切成一片片的裸晶 (Die)；裸晶經過封裝后，才被稱為芯片 (Chip)、或稱 IC。
晶圓的尺寸，可以決定后續裁切制作出來的芯片有多少數量。
附注: AnySillicon網站上提供的計算器(Die Per Wafer Calculator)可供計算一塊晶圓上能切出多少裸晶。
如直徑8吋的晶圓片使用2.0微米的制程，可以切出588顆64M的DRAM (內存)；至于12吋的晶圓，可以切出的成品又更多。
然而如先前所述，硅純度、拉晶速度與溫度控制都是晶柱質量的關鍵，越粗的硅晶柱越難拉出好質量，故尺寸越大、技術難度就越高，12吋晶圓廠也就比8吋晶圓廠的制程更先進。
另外，雜質對這些完美無缺的硅晶格構成很大的威脅（想想看：晶體管比人體細胞還小，稍有一絲雜質變足以毀壞整個硅晶格了），因此制造人員進入無塵室前，都必須事先清洗身體、穿戴防塵衣、全副武裝采取預防措施。晶圓制造環境更比手術室干凈十萬倍。
晶圓會在無塵的狀態下送到無塵室并分裝到密封的容器中，進行隨后的生產步驟。
我們在先前提到，集成電路 (IC) 跨時代的意義在于，工業界不用各自生產電子件再組建起來，可以一口氣將電路板依據電路圖生產出來。這是怎么做到的呢？
答案是：光學攝影技術。一大張的電路設計圖，要縮小并壓印到硅晶圓（基板），靠的就是光學原理。
首先光罩廠會將IC設計圖形第一次縮小，以電子束刻在石英片上，成為光罩。
光罩
由于電子束的寬度是1微米，所以光罩上依據設計圖所刻出的半導體回路也是1微米寬。接下來光罩廠會將完成的光罩送進晶圓廠。
芯片制造，也就是將光罩上刻的設計圖、第二度縮小至晶圓上。與底片洗出相片的原理一樣，「光罩」就是照相底片、「晶圓」就是相片紙。
晶圓上面會事先涂上一層光阻 （相片感光材料），透過紫外光的照射與凸透鏡聚光效果、會將光罩上的電路結構縮小并烙印在晶圓上，最后印在晶圓上的半導體回路會從光罩的 1 微米、變為 0.1 微米。陰影以外的部分會被紫外光破壞，隨后能被沖洗液洗掉。
藉由光蝕刻與微影成像，晶圓廠成功將設計圖轉印到微小的晶圓基板上。如同底片質量會影響照片成像的好壞，光罩上圖形的細致度是芯片質量的關鍵。
光刻制程結束后，工程師會在晶圓上繼續加入離子。透過注入雜質到硅的結構中控制導電性，與一連串的物理過程，制造出晶體管。其過程相當復雜，甚至需要像兩個足球場大的無塵室。
待晶圓上的晶體管、二極管等電子組件制作完成后，工程師會將銅倒入溝槽中形成精細的接線，將許多晶體管連結起來。在指甲大的空間里，數公里長的導線連接了數億個晶體管，制作成大規模集成電路。至此，偉大的建筑就完成了。
晶圓完成后被送到封裝廠，會切割成一片片的「裸晶」，如先前圖所示。由于裸晶小而薄、非常容易刮傷，故封裝廠會將裸晶安裝在導線架上、在外面封裝上絕緣的塑料體或陶瓷外殼，剪下來印上委托制造公司的標志。最后進行測試，進行芯片結構及功能的確認、將不良品挑出，一顆芯片就大功告成了！
1960年代集成電路的發明，讓許多的半導體組件可以一次放在一塊芯片上。隨著半導體的縮小，IC上可容納的晶體管數目，約每隔兩年便會增加一倍、性能每18個月能提升一倍 。
從1960年代不到10個，1980年代增加到10萬個、1990年代增加到1000萬個。這個現象由英特爾的名譽董事長摩爾所提出，稱為摩爾定律 (Moore’s Law)。如今，集成電路上的組件高達數億至數十億個。
早期，半導體公司多是從IC設計、制造、封裝、測試到銷售都一手包辦的整合組件制造商(Integrated Device Manufacturer, 俗稱IDM)，如英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)、摩托羅拉(Motorola)、三星 (Samsung)、菲利普 (Philips)、東芝 (Toshiba)，以及國內的華邦、旺宏。
然而，由于摩爾定律的關系，半導體芯片的設計和制作越來越復雜、花費越來越高，單獨一家半導體公司往往無法負擔從上游到下游的高額研發與制作費用，因此到了1980年代末期，半導體產業逐漸走向專業分工的模式──有些公司專門設計、再交由其他公司做晶圓代工和封裝測試。
半導體產業在近數十年來的發展速度不只驚人，許多重大的創新也支持了眾多其他產業也、產生了極大的影響，可以說是數字時代之母。毫無疑問地，在未來，半導體的應用與產業規模，將會比今日來的更加廣泛且舉足輕重。