Węgiel nie jest półprzewodnikiem przede wszystkim ze względu na swoją strukturę elektronową i właściwości wiązania. W swojej najbardziej stabilnej formie węgiel występuje w postaci grafitu lub diamentu, oba mają strukturę krystaliczną, w której każdy atom węgla tworzy silne wiązania kowalencyjne z sąsiednimi atomami. Te wiązania kowalencyjne są zlokalizowane pomiędzy sąsiednimi atomami, tworząc trójwymiarową sieć.
W graficie atomy węgla tworzą warstwy sześciokątnych pierścieni ułożonych jeden na drugim, podczas gdy w diamencie atomy węgla są połączone czworościennie w sztywną, wzajemnie połączoną sieć.
W przeciwieństwie do typowych półprzewodników, takich jak krzem czy german, gdzie elektrony mogą stosunkowo swobodnie poruszać się w sieci krystalicznej pod warunkiem dostarczenia im energii (cieplnej lub elektrycznej), struktura wiązań kowalencyjnych węgla nie pozwala na taki swobodny ruch elektronów.
Na przykład w graficie każdy atom węgla tworzy w swojej warstwie trzy silne wiązania kowalencyjne, pozostawiając jeden elektron swobodny, ale mobilność ta jest ograniczona w porównaniu ze zdelokalizowaną strukturą elektronową występującą w półprzewodnikach.
Węgiel jest ogólnie uważany za przewodnik, a nie półprzewodnik, ponieważ może przewodzić prąd dzięki obecności wolnych elektronów w jego strukturze. W graficie te wolne elektrony mogą poruszać się w warstwach, umożliwiając grafitowi przewodzenie prądu wzdłuż jego płaszczyzn.
Jednak tej przewodności nie można kontrolować w taki sam sposób, jak ma to miejsce w półprzewodnikach, gdzie ruchem elektronów można manipulować poprzez domieszkowanie lub stosowanie bodźców zewnętrznych w celu zmiany właściwości przewodności.
Chociaż węgiel w czystej postaci pierwiastkowej (grafit lub diament) nie jest zwykle stosowany jako półprzewodnik w urządzeniach elektronicznych, może być wykorzystywany w różnych postaciach w zastosowaniach półprzewodników.
Na przykład materiały na bazie węgla, takie jak grafen i nanorurki węglowe, wykazują wyjątkowe właściwości elektroniczne, co czyni je obiecującymi kandydatami na przyszłe technologie półprzewodnikowe.
Materiały te mogą wykazywać zachowanie półprzewodnikowe, jeśli są odpowiednio skonstruowane i domieszkowane, chociaż ich właściwości znacznie różnią się od tradycyjnych półprzewodników na bazie krzemu.
Różnica między węglem będącym izolatorem a krzemem będącym półprzewodnikiem polega na ich odpowiednich strukturach elektronicznych i zdolności elektronów do poruszania się w ich sieciach krystalicznych.
W materiałach na bazie węgla, takich jak grafit czy diament, wiązania kowalencyjne między atomami są mocne i zlokalizowane, co skutkuje stosunkowo szeroką przerwą wzbronioną pomiędzy pasmami walencyjnymi i przewodnictwa. Ta duża przerwa wzbroniona oznacza, że materiały na bazie węgla na ogół nie przewodzą łatwo prądu i w normalnych warunkach są klasyfikowane jako izolatory.
Natomiast krzem ma strukturę krystaliczną, w której każdy atom krzemu tworzy cztery wiązania kowalencyjne z sąsiednimi atomami w układzie czworościennym.
Ta struktura pozwala niektórym elektronom uwolnić się i poruszać w sieci krystalicznej po przyłożeniu energii, na przykład w wyniku wzbudzenia termicznego lub przyłożonego pola elektrycznego. Zdolność krzemu do przewodzenia prądu elektrycznego w określonych warunkach, a jednocześnie mając mniejsze pasmo wzbronione w porównaniu z izolatorami takimi jak węgiel, czyni go półprzewodnikiem.
Uważnie kontrolując domieszkowanie krzemu innymi pierwiastkami, jego właściwości przewodności można dostosować do konkretnych zastosowań elektronicznych, takich jak obwody scalone i ogniwa słoneczne.