¿Por qué el carbono no es un semiconductor aunque está en el mismo grupo que el silicio y el germanio?

El diamante es un semiconductor, con un intervalo de banda muy grande (intervalo de banda indirecto).
Estructura de la banda y concentración de portadores

La clasificación como semiconductor es principalmente una cuestión de qué tan bien se puede dopar, es decir, agregar una impureza a baja concentración para afectar directa y confiablemente su conductividad y banda a las distancias de nivel de Fermi.

Curiosamente, el diamante (carbono cristalino tridimensional) se puede dopar, pero no tan eficazmente como en otros semiconductores. Dopaje de diamante

El diamante es un semiconductor de banda ancha con propiedades físicas y químicas sin igual. Cuando se dopa, el diamante semiconductor puede conducir a la realización de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos con propiedades excepcionales. El diamante ahora se puede dopar tipo p, con boro, tanto durante el crecimiento de la película de diamante CVD como por implantación iónica, y el tipo n con fósforo durante el crecimiento CVD. Este artículo revisa el estado actual del dopaje con diamantes y describe las propiedades electrónicas de las capas dopadas. Se describen algunas aplicaciones potenciales del diamante semiconductor dopado.

El problema es que el dopaje requiere que el nivel del donante esté muy cerca de la energía del borde de la banda, pero el dopaje tanto P como N en el diamante están bastante más alejados del borde de la banda que los niveles del donante en otros semiconductores.
dopaje tipo n de diamante

Sin embargo, el fósforo se ha utilizado con éxito para producir diamantes de tipo n, en el sentido de que el nivel del donante (E en la Figura 2) es mucho más superficial que cualquier otro donante que pueda incluirse de manera reproducible en el diamante. Esta calificación del término éxito es muy importante: el nivel de donante de P es relativamente profundo, a 0.6 eV por debajo de la banda de conducción. Por lo tanto, a temperatura ambiente, el número de electrones de conducción será pequeño ya que la fracción de donantes que se ionizarán depende de la exponencial de la relación E / kBT .

Estructura de la banda y concentración de portadores

El boro es un nivel de aceptación profundo con una energía de activación de 0.37 eV. Hasta ahora, las aplicaciones de semiconductores de diamante se han basado casi exclusivamente en muestras de tipo p dopadas con boro (Gildenblat et al. [1991]) .

El carbono tiene muchos alótropos: algunos son semiconductores, mientras que otros no.

Las diversas formas cristalinas de carbono tienen propiedades radicalmente diferentes. El diamante (transparente, muy duro) es una forma, y ​​hay varias formas diferentes que pueden considerarse a base de grafeno, con propiedades muy diferentes entre el grupo.

  • Grafeno : “Una sola capa de átomos de carbono en una red hexagonal / de alambre de pollo”. Semiconductor de espacio cero, muy alta conductividad, muy delgado y flexible y mecánicamente fuerte. Casi transparente a la luz visible.
  • Grafito : “muchas capas de grafeno se apilan unas encima de otras de manera ordenada”. Conductor / semiconductor defectuoso, pero excelente para hacer lápices y lubricantes, ya que las capas se deslizan fácilmente entre sí debido a las fuerzas muy débiles de Van der Waals que las mantienen unidas.
  • Nanotubos de carbono de pared simple : “grafeno enrollado en un tubo”. Las propiedades varían ampliamente según el eje de simetría exacto a lo largo del cual se enrolla el tubo, pero los SWNT son extremadamente resistentes mecánicamente, y la mayoría son tubos metálicos de alta conductividad o semiconductores de alta movilidad.
  • Buckyballs / C60 : “Graphene enrollado en una pelota de fútbol”. Básicamente, la única opción cuando se trata de jugar fútbol con ejércitos de nanobots. 😛

Ya hay algunas respuestas realmente buenas aquí. Lo que me gustaría agregar aquí es el hecho de que los materiales puros no son semiconductores. Por ejemplo, Pure Silicon no tiene valor para los ingenieros. Pure Silicon tiene bandas completamente llenas. Cuando recurrimos a la teoría de la banda y comenzamos a llenar los electrones según el Principio de Exclusión de Pauli en las bandas, descubrimos que nos quedamos sin electrones tan pronto como llegamos a la parte superior de una banda. Lo más importante a tener en cuenta aquí es el hecho de que cuando las personas dicen lo mejor de una banda, lo dicen en la escala de energía. Cuando aplicamos un campo eléctrico externo, los electrones en Silicon se excitan pero no tienen a dónde ir (en términos de energía). La energía que obtienen se pierde por las vibraciones térmicas de la red, lo que resulta en un calentamiento resistivo. El silicio puro a temperatura ambiente es un aislante.

Hagamos un pequeño cálculo para ver este hecho.
Dados dos estados de energía diferentes, la probabilidad de excitar una partícula entre ellos dado que tienen una diferencia de energía de aproximadamente 3 eV (valores típicos)
[matemáticas] P = exp \ big (- \ frac {E_g} {K_b T} \ big) [/ math]
Conectando valores típicos para un material, este número funciona en el orden de [matemática] 10 ^ {- 51} [/ matemática]. Ese es un número increíblemente pequeño. Podemos ver que la temperatura ambiente no es suficiente para excitar un electrón de la banda de cenefa a la banda de conducción.
Dopando un material introduce nuevos niveles de energía que se encuentran entre las bandas de valencia y conducción. Esto es lo que permite la conductividad en el material (debería decir semiconductividad).

Si y Ge tienen la banda de valencia mucho más lejos del núcleo (capas adicionales), donde se necesitan menores niveles de energía para intercambiar electrones.

C, por otro lado, está cerca del núcleo, lo que crea propiedades de tipo aislante en una cristalización cúbica (diamante) centrada en la cara.

Actualización: esto no implica que no sea un semiconductor, solo tiene una gran brecha de banda.

Aclaración adicional: la propiedad semiconductora, como afirma maravillosamente Jacob, viene dada por la capacidad del cristal para aceptar dopantes (impurezas) y comportarse de manera diferente.
Si se puede diseñar la brecha de banda para acercarla al dominio clásico de “semiconductores” (<4eV - electron-Volt- una pequeña unidad de energía), entonces tiene esta propiedad. Un aislante dopado normalmente no se vuelve más conductivo, ni un conductor / metal se vuelve menos conductivo si le inyecta pequeñas escamas de plástico.

Las impurezas para los diamantes son las mismas que para el silicio, debido a que el carbono es un elemento del grupo 14 (IV) (ioffe.ru)

Diamante de dopaje con boro, por lo tanto, modificará el intervalo de banda de 5.5 a 5.1
(que curiosamente, le dará un color al diamante)
dopando con nitrógeno disminuirá esto mucho más, hasta ~ 4eV o más, dependiendo del método

El carbono no es un semiconductor porque la brecha de energía prohibida en el carbono es de alrededor de 7eV. esto es mucho más alto para que sea un conductor o incluso semiconductores que tiene brechas de energía prohibidas más bajas. En la mañana, o nivel básico, se puede describir como:
Cuando muchos átomos se unen para formar una estructura gigante, sus orbitales atómicos se fusionan para producir una gran cantidad de orbitales moleculares, que se organizan en bandas de energía creciente. Uno de estos a menudo se describe como una banda de valencia . Los orbitales moleculares en esta banda contienen los electrones que forman el enlace covalente (o metálico) normal.
La otra banda se llama banda de conductancia . Esto generalmente tiene una energía más alta que la banda de valencia, y en algo como diamante o silicio en cero absoluto, la banda de conductancia está vacía de electrones.
Sin embargo, a medida que los electrones ganan energía térmica a medida que aumenta la temperatura, algunos electrones pueden saltar de la banda de valencia a la banda de conductancia, especialmente si la brecha entre los dos es pequeña. Una vez que están en la banda de conductancia, se deslocalizan de sus átomos originales y son libres de moverse y conducir electricidad.
En el carbono (diamante), la brecha de energía entre la banda de valencia y la banda de conductancia es demasiado alta para que esto suceda. En el silicio, la brecha de banda es lo suficientemente pequeña como para que los electrones salten, por lo que el silicio es un semiconductor y el carbono no.
Gracias.

El carbono no es un metal, y los no metales son malos conductores de la electricidad porque la estructura de enlace es una “disposición compacta”. El silicio y el germanio que también están en el Grupo IVA son semiconductores y se clasifican como metaloides . Los metaloides muestran propiedades de metales y no metales. Tienen baja conductividad eléctrica en comparación con los metales, pero conducen más que los no metales. Esta propiedad los hace útiles en electrónica a pequeña escala.

Es una regla general que los elementos dentro del mismo grupo tienen propiedades similares, sin embargo, algunas tendencias periódicas muestran más un patrón diagonal . El flúor, cerca de la parte superior derecha de la tabla periódica, es el elemento menos metálico y el francio, en la parte inferior izquierda, es el más metálico. Esto se debe a que las tendencias relacionadas con la configuración electrónica están influenciadas no solo por los electrones de valencia sino también por el blindaje de los electrones internos que aumenta la disminución en un grupo. Los metaloides caen a lo largo de una escalera diagonal que separa los metales de los no metales. La siguiente imagen muestra los metaloides en amarillo.

No son las propiedades atómicas intrínsecas de un elemento las que forman un semiconductor, es la estructura cristalina, que tiene que ser impurificada con un elemento diferente, ya que de lo contrario es un no conductor perfecto. Un cristal de arseniuro de galio es un semiconductor, aunque ni el galio ni el arsénico lo son. El silicio amorfo no es un semiconductor, aunque puede doparse y convertirse en uno cuando se deposita en películas muy delgadas de unos pocos átomos de espesor. El carbono es capaz de tomar formas cristalinas que pueden ser dopadas y utilizadas como semiconductores.

La respuesta TL; DR: el carbono es un semiconductor, pero su separación de banda lo hace inviable a temperatura ambiente: actúa como un aislante porque la activación del portador térmico requeriría una temperatura en los 100 ºC para que parezca silicio o germanio como semiconductor.

La electricidad puede conducir a través del carbono, pero el carbono tiene una resistencia significativa, y gran parte de la energía eléctrica se perderá como energía térmica cuando pasa a través del carbono y forma una estructura de cristal de diamante, por lo que cuando agreguemos átomos de impureza no hará ningún cambio significativo. … +
El carbono no se usa como semiconductor, tiene 4 electrones de valencia en su capa de valencia, pero la brecha de energía es muy pequeña, conducirá electricidad incluso a temperatura ambiente, el tamaño del carbono es muy pequeño. Depende de la estructura del carbono. En el caso del germanio y el silicio tienen d órbitas en la capa externa y tienen mayor movilidad.

El carbono es un semiconductor, pero su separación de banda lo hace inviable a temperatura ambiente: actúa como un aislante porque la activación del portador térmico requeriría una temperatura en los 100 ºC para que parezca silicio o germanio como semiconductor .

Creo que en los campos de prisioneros de guerra de la Segunda Guerra Mundial, las radios se improvisaron usando un trozo de coque lavado como cristal para un diodo. A menudo me preguntaba sobre eso, pero presumiblemente algunas impurezas naturales en el coque deben haberlo hecho funcionar como un semiconductor débil.