Halbmetalle

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Die Halbmetalle sind Elemente und stehen im Periodensystem zwischen den Metallen und den Nichtmetallen. Sie können von der elektrischen Leitfähigkeit und vom Aussehen her weder den Metallen noch den Nichtmetallen zugeordnet werden. Alle Halbmetalle sind Feststoffe bei Normalbedingungen. Halbleiter ist ein Überbegriff und umfasst Halbmetalle und Verbindungshalbleiter gleichermaßen.^[1]

Ältere Definition

Die ursprüngliche Definition der Halbmetalle (oder ebenfalls veraltet Metalloide) gilt heute in der Chemie als etwas veraltet. Sie definiert die Halbmetalle als eine Reihe von Elementen, die in der III. bis VI. Gruppe des Periodensystems stehen.

Zu den Halbmetallen gehören die folgenden Elemente:

B	Bor	typisches Halbmetall
Si	Silicium	typisches Halbmetall
Ge	Germanium	ist eher ein Metall
As	Arsen	typisches Halbmetall
Se	Selen	ist eher ein Nichtmetall
Sb	Antimon	ist eher ein Metall
Te	Tellur	typisches Halbmetall
Po	Polonium	ist ein Metall
At	Astat	ist eher ein Nichtmetall

Diese Elemente weisen sowohl Eigenschaften von Metallen als auch Eigenschaften klassischer Nichtleiter auf. Sie kommen meist in zwei allotropen Kristallmodifikationen vor, von denen die eine metallischen, die andere nichtmetallischen Charakter trägt. Im Allgemeinen ist ihre elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur ziemlich klein, nimmt aber mit zunehmender Temperatur stark zu, im Gegensatz zu Metallen. Deswegen werden Halbmetalle auch als elementare Halbleiter bezeichnet.

Tatsächlich sind aber viele dieser Elemente klassische Halbleiter wie Germanium oder Silicium. Ihre äußere Elektronenschale ist mit drei bis sechs Elektronen besetzt, deswegen können sie sowohl Elektronen abgeben als auch aufnehmen.

Im Periodensystem finden sich die Halbmetalle in einer Diagonalen zwischen Bor und Astat. Elemente, die rechts oberhalb dieser Linie liegen, sind Nichtmetalle; Elemente, die links unterhalb dieser Linie liegen, sind Metalle.

H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn
			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

Neuere Definition

In der neueren Definition der Halbmetalle, die zunehmend in der Chemie und vor allem in der Physik verwendet wird, bezieht man sich mehr auf die Bandstruktur der Festkörper als nur auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften. Halbmetalle sind danach kristalline Festkörper mit einer Bandlücke, die den Wert Null oder einen Wert im Bereich der thermischen Energie k_BT hat, wobei k_B die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist. Typischer Vertreter aus dem Bereich der Elemente sind die Kohlenstoff-Modifikation Graphit und graues Zinn (α-Sn).

Eine exakte Zuordnung ist allerdings sehr schwierig, da, wie erwähnt, die unterschiedlichen Kristallmodifikationen meist unterschiedliche Eigenschaften besitzen. So ist weißes Zinn (β-Sn) ein Metall und graues Zinn (α-Sn) ein Halbleiter, letzteres kann aber auch als Halbmetall bezeichnet werden. Die Zuordnung sollte deshalb nach der häufigsten Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck erfolgen.

H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn
			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

• B, Si, Ge, Se, Te wären nach dieser Klassifikation Halbleiter.
• As, Sb wären nach dieser Klassifikation Halbmetalle.
• Ga, Sn, Bi, Po wären Metalle.

Die Schwierigkeit einer exakten Definition der Halbmetalle zeigt folgende Tabelle:

Übersichtstabelle mit physikalischen und chemischen Eigenschaften^[2]

Element	Modifikationen	häufigste Modifikation	Elektrische Leitfähigkeit in S/m	Zuordnung anhand der elektrischen Leitfähigkeit	Dissoziationsenergie in KJ/mol	Zuordnung anhand der Dissoziationsenergie	Bandlücke in eV (300 K)	Zuordnung anhand der Bandlücke
As	graues gelbes Schwarzes	graues	p5063.453,45 ⋅ 106	Leiter	302,7	Halbmetall	?	Halbmetall
At		25 g in der Erdkruste	—	Halogen	—	—	—	Halogen
B			p4961.01,0 ⋅ 10−4	Halbleiter		Halbmetall?	?	Halbleiter
Bi	(α-Bi)		p5058.678,67 ⋅ 105	Leiter	207,2	Metall	?	Metall
Ge			p5001.451,45	Halbleiter		Halbmetall?	0,75 (0 K) 0,67 (300 K)	Halbleiter
I			p4928.08,0 ⋅ 10−8	Halbleiter	151	Halogen	-	Halogen
P	weißer schwarzer roter violetter	schwarzer	p4911.01,0 ⋅ 10−9	Halbleiter	314,8	Halbmetall	?	Nichtmetall?
Po	(α-Po) (β-Po)	(α-Po)	p5062.192,19 ⋅ 106	Leiter		Metall?	?	Metall
Sb			p5062.882,88 ⋅ 106	Leiter	262,5	Halbmetall?	?	Halbmetall
Se			p4901.01,0 ⋅ 10−10	Halbleiter	308	Halbmetall	- 1,74 (300 K)	Halbleiter
Si			p4962.522,52 ⋅ 10−4	Halbleiter		Halbmetall?	1,17 (0 K) 1,12(300 K)	Halbleiter
Sn	(α-Sn)<graues> (β-Sn)<weißes>	(β-Sn) > +13,2 °C	p5069.179,17 ⋅ 106	Leiter		Metall?	α-Sn 0,08 (0 K) 0,094(300 K)	Metall
Te			p5022.02,0 ⋅ 102	Halbleiter	225	Metall?	0,33 (0 K) -	Halbleiter

Weblinks

 Wiktionary: Halbmetall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

1. ↑ Graham Chedd: Halbmetalle. Verlag DVA. Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1
2. ↑ Werte beziehen sich auf die häufigste Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck

Serien des Periodensystems

Alkalimetalle | Erdalkalimetalle | Halogene | Edelgase Lanthanoide | Actinoide | Übergangsmetalle | Metalle | Halbmetalle | Nichtmetalle