O carbono não é um semicondutor principalmente devido à sua estrutura eletrônica e características de ligação. Na sua forma mais estável, o carbono existe como grafite ou diamante, ambos com uma estrutura cristalina onde cada átomo de carbono forma fortes ligações covalentes com os seus átomos vizinhos. Essas ligações covalentes estão localizadas entre átomos adjacentes, criando uma rede tridimensional. Na grafite, os átomos de carbono formam camadas de anéis hexagonais empilhados uns sobre os outros, enquanto no diamante, os átomos de carbono estão ligados tetraedricamente em uma rede rígida e interconectada.
Ao contrário dos semicondutores típicos, como o silício ou o germânio, onde os elétrons são capazes de se mover de forma relativamente livre na rede cristalina quando fornecidos com energia (térmica ou elétrica), a estrutura de ligação covalente do carbono não permite esse movimento livre dos elétrons. Na grafite, por exemplo, cada átomo de carbono forma três fortes ligações covalentes dentro da sua camada, deixando um electrão livre para se mover, mas esta mobilidade é limitada em comparação com a estrutura electrónica deslocalizada encontrada nos semicondutores.
O carbono é geralmente considerado um condutor e não um semicondutor porque pode conduzir eletricidade devido à presença de elétrons livres em sua estrutura. No grafite, esses elétrons livres são capazes de se mover dentro das camadas, permitindo que o grafite conduza eletricidade ao longo de seus planos. No entanto, esta condutividade não é controlável da mesma forma que nos semicondutores, onde o movimento dos elétrons pode ser manipulado por dopagem ou aplicação de estímulos externos para alterar as propriedades de condutividade.
Embora o carbono em suas formas elementares puras (grafite ou diamante) não seja normalmente usado como semicondutor em dispositivos eletrônicos, ele pode ser utilizado de várias formas em aplicações de semicondutores. Por exemplo, materiais à base de carbono, como o grafeno e os nanotubos de carbono, exibem propriedades eletrônicas únicas que os tornam candidatos promissores para futuras tecnologias de semicondutores. Esses materiais podem apresentar comportamento semicondutor quando adequadamente estruturados e dopados, embora suas características difiram significativamente dos semicondutores tradicionais à base de silício.
A diferença entre o carbono ser um isolante e o silício ser um semicondutor está em suas respectivas estruturas eletrônicas e na capacidade dos elétrons de se moverem dentro de suas redes cristalinas. Em materiais à base de carbono, como grafite ou diamante, as ligações covalentes entre os átomos são fortes e localizadas, resultando em um intervalo de bandas relativamente amplo entre as bandas de valência e de condução. Esta grande lacuna de banda significa que os materiais à base de carbono geralmente não conduzem eletricidade facilmente e são classificados como isolantes em condições normais.
Em contraste, o silício tem uma estrutura cristalina onde cada átomo de silício forma quatro ligações covalentes com átomos vizinhos num arranjo tetraédrico. Essa estrutura permite que alguns elétrons se tornem livres e se movam dentro da rede cristalina quando a energia é aplicada, como por meio de excitação térmica ou de um campo elétrico aplicado. A capacidade do silício de conduzir eletricidade sob certas condições, ao mesmo tempo que possui um intervalo de banda menor em comparação com isolantes como o carbono, o torna um semicondutor. Ao controlar cuidadosamente a dopagem do silício com outros elementos, as suas propriedades de condutividade podem ser adaptadas para aplicações electrónicas específicas, tais como em circuitos integrados e células solares.