El carbono no es un semiconductor debido principalmente a su estructura electrónica y características de enlace. En su forma más estable, el carbono existe como grafito o diamante, los cuales tienen una estructura cristalina donde cada átomo de carbono forma fuertes enlaces covalentes con sus átomos vecinos. Estos enlaces covalentes se localizan entre átomos adyacentes, creando una red tridimensional. En el grafito, los átomos de carbono forman capas de anillos hexagonales apilados uno encima del otro, mientras que en el diamante, los átomos de carbono están unidos tetraédricamente en una red rígida interconectada.
A diferencia de los semiconductores típicos como el silicio o el germanio, donde los electrones pueden moverse con relativa libertad en la red cristalina cuando se les proporciona energía (térmica o eléctrica), la estructura de enlace covalente del carbono no permite ese libre movimiento de electrones. En el grafito, por ejemplo, cada átomo de carbono forma tres enlaces covalentes fuertes dentro de su capa, dejando un electrón libre para moverse, pero esta movilidad es limitada en comparación con la estructura electrónica deslocalizada que se encuentra en los semiconductores.
El carbono generalmente se considera un conductor más que un semiconductor porque puede conducir electricidad debido a la presencia de electrones libres en su estructura. En el grafito, estos electrones libres pueden moverse dentro de las capas, lo que permite que el grafito conduzca electricidad a lo largo de sus planos. Sin embargo, esta conductividad no es controlable de la misma manera que en los semiconductores, donde el movimiento de los electrones puede manipularse mediante dopaje o aplicando estímulos externos para cambiar las propiedades de conductividad.
Si bien el carbono en sus formas elementales puras (grafito o diamante) no se suele utilizar como semiconductor en dispositivos electrónicos, se puede utilizar en diversas formas en aplicaciones de semiconductores. Por ejemplo, los materiales a base de carbono como el grafeno y los nanotubos de carbono exhiben propiedades electrónicas únicas que los convierten en candidatos prometedores para futuras tecnologías de semiconductores. Estos materiales pueden exhibir un comportamiento semiconductor cuando están estructurados y dopados adecuadamente, aunque sus características difieren significativamente de los semiconductores tradicionales basados en silicio.
La diferencia entre el carbono como aislante y el silicio como semiconductor radica en sus respectivas estructuras electrónicas y en la capacidad de los electrones para moverse dentro de sus redes cristalinas. En materiales a base de carbono como el grafito o el diamante, los enlaces covalentes entre los átomos son fuertes y localizados, lo que da como resultado una banda prohibida relativamente amplia entre las bandas de valencia y conducción. Esta gran banda prohibida significa que los materiales a base de carbono generalmente no conducen la electricidad fácilmente y se clasifican como aislantes en condiciones normales.
Por el contrario, el silicio tiene una estructura cristalina en la que cada átomo de silicio forma cuatro enlaces covalentes con los átomos vecinos en una disposición tetraédrica. Esta estructura permite que algunos electrones se liberen y se muevan dentro de la red cristalina cuando se aplica energía, como a través de excitación térmica o un campo eléctrico aplicado. La capacidad del silicio para conducir electricidad en determinadas condiciones y al mismo tiempo tener una banda prohibida más pequeña en comparación con aislantes como el carbono lo convierte en un semiconductor. Al controlar cuidadosamente el dopaje del silicio con otros elementos, sus propiedades de conductividad se pueden adaptar a aplicaciones electrónicas específicas, como en circuitos integrados y células solares.