Kohlenstoff ist vor allem aufgrund seiner elektronischen Struktur und Bindungseigenschaften kein Halbleiter. In seiner stabilsten Form liegt Kohlenstoff als Graphit oder Diamant vor, die beide eine kristalline Struktur haben, in der jedes Kohlenstoffatom starke kovalente Bindungen mit seinen Nachbaratomen eingeht. Diese kovalenten Bindungen sind zwischen benachbarten Atomen lokalisiert und bilden ein dreidimensionales Netzwerk. In Graphit bilden Kohlenstoffatome übereinander gestapelte Schichten sechseckiger Ringe, während in Diamant Kohlenstoffatome tetraedrisch in einem starren, miteinander verbundenen Gitter verbunden sind.
Im Gegensatz zu typischen Halbleitern wie Silizium oder Germanium, bei denen sich Elektronen relativ frei im Kristallgitter bewegen können, wenn ihnen Energie (thermisch oder elektrisch) zugeführt wird, lässt die kovalente Bindungsstruktur von Kohlenstoff eine solche freie Bewegung der Elektronen nicht zu. In Graphit beispielsweise bildet jedes Kohlenstoffatom innerhalb seiner Schicht drei starke kovalente Bindungen, sodass sich ein Elektron frei bewegen kann. Diese Beweglichkeit ist jedoch im Vergleich zur delokalisierten Elektronenstruktur in Halbleitern begrenzt.
Kohlenstoff wird im Allgemeinen eher als Leiter denn als Halbleiter betrachtet, da er aufgrund der Anwesenheit freier Elektronen in seiner Struktur Elektrizität leiten kann. Bei Graphit sind diese freien Elektronen in der Lage, sich innerhalb der Schichten zu bewegen, wodurch der Graphit Elektrizität entlang seiner Ebenen leiten kann. Diese Leitfähigkeit ist jedoch nicht auf die gleiche Weise kontrollierbar wie bei Halbleitern, wo die Bewegung von Elektronen durch Dotierung oder Anwendung äußerer Reize manipuliert werden kann, um die Leitfähigkeitseigenschaften zu ändern.
Während Kohlenstoff in seiner reinen elementaren Form (Graphit oder Diamant) normalerweise nicht als Halbleiter in elektronischen Geräten verwendet wird, kann er in verschiedenen Formen in Halbleiteranwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise weisen kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren einzigartige elektronische Eigenschaften auf, die sie zu vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Halbleitertechnologien machen. Diese Materialien können bei richtiger Strukturierung und Dotierung halbleitendes Verhalten zeigen, obwohl sich ihre Eigenschaften erheblich von herkömmlichen Halbleitern auf Siliziumbasis unterscheiden.
Der Unterschied zwischen Kohlenstoff als Isolator und Silizium als Halbleiter liegt in ihren jeweiligen elektronischen Strukturen und der Fähigkeit der Elektronen, sich innerhalb ihrer Kristallgitter zu bewegen. In kohlenstoffbasierten Materialien wie Graphit oder Diamant sind die kovalenten Bindungen zwischen Atomen stark und lokalisiert, was zu einer relativ großen Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband führt. Diese große Bandlücke bedeutet, dass Materialien auf Kohlenstoffbasis im Allgemeinen Elektrizität nicht leicht leiten und unter normalen Bedingungen als Isolatoren eingestuft werden.
Im Gegensatz dazu hat Silizium eine kristalline Struktur, bei der jedes Siliziumatom vier kovalente Bindungen mit benachbarten Atomen in einer tetraedrischen Anordnung eingeht. Diese Struktur ermöglicht es, dass einige Elektronen frei werden und sich innerhalb des Kristallgitters bewegen, wenn Energie zugeführt wird, beispielsweise durch thermische Anregung oder ein angelegtes elektrisches Feld. Die Fähigkeit von Silizium, unter bestimmten Bedingungen Elektrizität zu leiten und gleichzeitig im Vergleich zu Isolatoren wie Kohlenstoff eine kleinere Bandlücke zu haben, macht es zu einem Halbleiter. Durch sorgfältige Steuerung der Dotierung von Silizium mit anderen Elementen können seine Leitfähigkeitseigenschaften für bestimmte elektronische Anwendungen, beispielsweise in integrierten Schaltkreisen und Solarzellen, maßgeschneidert werden.