Il carbonio non è un semiconduttore principalmente a causa della sua struttura elettronica e delle caratteristiche di legame. Nella sua forma più stabile, il carbonio esiste come grafite o diamante, entrambi hanno una struttura cristallina in cui ciascun atomo di carbonio forma forti legami covalenti con gli atomi vicini. Questi legami covalenti sono localizzati tra atomi adiacenti, creando una rete tridimensionale. Nella grafite, gli atomi di carbonio formano strati di anelli esagonali impilati uno sopra l’altro, mentre nel diamante, gli atomi di carbonio sono legati tetraedricamente in un reticolo rigido e interconnesso.
A differenza dei tipici semiconduttori come il silicio o il germanio, dove gli elettroni sono in grado di muoversi relativamente liberamente nel reticolo cristallino quando forniti di energia (termica o elettrica), la struttura di legame covalente del carbonio non consente tale libero movimento degli elettroni. Nella grafite, ad esempio, ogni atomo di carbonio forma tre forti legami covalenti all’interno del suo strato, lasciando un elettrone libero di muoversi, ma questa mobilità è limitata rispetto alla struttura elettronica delocalizzata che si trova nei semiconduttori.
Il carbonio è generalmente considerato un conduttore piuttosto che un semiconduttore perché può condurre l’elettricità grazie alla presenza di elettroni liberi nella sua struttura. Nella grafite, questi elettroni liberi sono in grado di muoversi all’interno degli strati, permettendo alla grafite di condurre l’elettricità lungo i suoi piani. Tuttavia, questa conduttività non è controllabile allo stesso modo dei semiconduttori, dove il movimento degli elettroni può essere manipolato mediante drogaggio o applicando stimoli esterni per modificare le proprietà di conduttività.
Sebbene il carbonio nelle sue forme elementari pure (grafite o diamante) non sia generalmente utilizzato come semiconduttore nei dispositivi elettronici, può essere utilizzato in varie forme nelle applicazioni dei semiconduttori. Ad esempio, i materiali a base di carbonio come il grafene e i nanotubi di carbonio mostrano proprietà elettroniche uniche che li rendono candidati promettenti per le future tecnologie dei semiconduttori. Questi materiali possono mostrare un comportamento semiconduttore se adeguatamente strutturati e drogati, sebbene le loro caratteristiche differiscano significativamente dai tradizionali semiconduttori a base di silicio.
La differenza tra il carbonio come isolante e il silicio come semiconduttore risiede nelle rispettive strutture elettroniche e nella capacità degli elettroni di muoversi all’interno dei loro reticoli cristallini. Nei materiali a base di carbonio come la grafite o il diamante, i legami covalenti tra gli atomi sono forti e localizzati, determinando un intervallo di banda relativamente ampio tra le bande di valenza e di conduzione. Questo ampio intervallo di banda significa che i materiali a base di carbonio generalmente non conducono facilmente l’elettricità e sono classificati come isolanti in condizioni normali.
Al contrario, il silicio ha una struttura cristallina in cui ciascun atomo di silicio forma quattro legami covalenti con gli atomi vicini in una disposizione tetraedrica. Questa struttura consente ad alcuni elettroni di liberarsi e di muoversi all’interno del reticolo cristallino quando viene applicata energia, ad esempio attraverso l’eccitazione termica o un campo elettrico applicato. La capacità del silicio di condurre elettricità in determinate condizioni pur avendo un intervallo di banda più piccolo rispetto agli isolanti come il carbonio lo rende un semiconduttore. Controllando attentamente il drogaggio del silicio con altri elementi, le sue proprietà di conduttività possono essere adattate per applicazioni elettroniche specifiche, come nei circuiti integrati e nelle celle solari.