Le carbone n’est pas un semi-conducteur principalement en raison de sa structure électronique et de ses caractéristiques de liaison. Dans sa forme la plus stable, le carbone existe sous forme de graphite ou de diamant, qui possèdent tous deux une structure cristalline dans laquelle chaque atome de carbone forme de fortes liaisons covalentes avec ses atomes voisins. Ces liaisons covalentes sont localisées entre atomes adjacents, créant un réseau tridimensionnel. Dans le graphite, les atomes de carbone forment des couches d’anneaux hexagonaux empilés les uns sur les autres, tandis que dans le diamant, les atomes de carbone sont liés de manière tétraédrique dans un réseau rigide et interconnecté.
Contrairement aux semi-conducteurs typiques tels que le silicium ou le germanium, où les électrons sont capables de se déplacer relativement librement dans le réseau cristallin lorsqu’ils sont alimentés en énergie (thermique ou électrique), la structure de liaison covalente du carbone ne permet pas une telle liberté de mouvement des électrons. Dans le graphite, par exemple, chaque atome de carbone forme trois liaisons covalentes fortes au sein de sa couche, laissant un électron libre de se déplacer, mais cette mobilité est limitée par rapport à la structure électronique délocalisée trouvée dans les semi-conducteurs.
Le carbone est généralement considéré comme un conducteur plutôt qu’un semi-conducteur car il peut conduire l’électricité grâce à la présence d’électrons libres dans sa structure. Dans le graphite, ces électrons libres sont capables de se déplacer à l’intérieur des couches, permettant au graphite de conduire l’électricité le long de ses plans. Cependant, cette conductivité n’est pas contrôlable de la même manière que dans les semi-conducteurs, où le mouvement des électrons peut être manipulé par dopage ou par application de stimuli externes pour modifier les propriétés de conductivité.
Bien que le carbone sous ses formes élémentaires pures (graphite ou diamant) ne soit généralement pas utilisé comme semi-conducteur dans les appareils électroniques, il peut être utilisé sous diverses formes dans les applications de semi-conducteurs. Par exemple, les matériaux à base de carbone comme le graphène et les nanotubes de carbone présentent des propriétés électroniques uniques qui en font des candidats prometteurs pour les futures technologies de semi-conducteurs. Ces matériaux peuvent présenter un comportement semi-conducteur lorsqu’ils sont correctement structurés et dopés, bien que leurs caractéristiques diffèrent considérablement de celles des semi-conducteurs traditionnels à base de silicium.
La différence entre le carbone comme isolant et le silicium comme semi-conducteur réside dans leurs structures électroniques respectives et dans la capacité des électrons à se déplacer dans leurs réseaux cristallins. Dans les matériaux à base de carbone comme le graphite ou le diamant, les liaisons covalentes entre les atomes sont fortes et localisées, ce qui entraîne une bande interdite relativement large entre les bandes de valence et de conduction. Cette large bande interdite signifie que les matériaux à base de carbone ne conduisent généralement pas facilement l’électricité et sont classés comme isolants dans des conditions normales.
En revanche, le silicium a une structure cristalline dans laquelle chaque atome de silicium forme quatre liaisons covalentes avec les atomes voisins dans un arrangement tétraédrique. Cette structure permet à certains électrons de se libérer et de se déplacer dans le réseau cristallin lorsqu’une énergie est appliquée, par exemple par une excitation thermique ou un champ électrique appliqué. La capacité du silicium à conduire l’électricité dans certaines conditions tout en ayant une bande interdite plus petite que celle des isolants comme le carbone en fait un semi-conducteur. En contrôlant soigneusement le dopage du silicium avec d’autres éléments, ses propriétés de conductivité peuvent être adaptées à des applications électroniques spécifiques, telles que les circuits intégrés et les cellules solaires.