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.

Die Bezeichnung Metalloide gilt als veraltet. Halbleiter ist ein Überbegriff und umfasst Halbmetalle und Verbindungshalbleiter gleichermaßen.[1]

Definition[Bearbeiten]

Ältere Definition[Bearbeiten]

Die ursprüngliche Definition der Halbmetalle 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.[2]

Zu den Halbmetallen gehören die folgenden Elemente[3]:

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

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[Bearbeiten]

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.[2] Typischer Vertreter aus dem Bereich der Elemente sind die Kohlenstoff-Modifikation Graphit und graues Zinn (α-Sn).[2]

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, C (Graphit), Si, P (schwarzer), Ge, Se (graues), Te sind nach dieser Klassifikation Halbleiter.
  • As, Sb, Po, At sind nach dieser Klassifikation Halbmetalle.
  • Al, Ga, Sn, Bi, In, Pb, Tl sind Metalle.

Die folgende Tabelle der physikalischen und chemischen Eigenschaften veranschaulicht die Schwierigkeit einer exakten Definition.

Übersichtstabelle[Bearbeiten]

Die Werte beziehen sich auf die häufigste Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck.

Eigenschaften der Halbmetalle
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
Arsen
(As)
graues
gelbes
schwarzes
graues p5063.453,45 ⋅ 106 Leiter 302,7 Halbmetall  ? Halbmetall
Astat
(At)
  25 g in der Erdkruste Halogen Halogen
Bor
(B)
    p4961.01,0 ⋅ 10−4 Halbleiter   Halbmetall?  ? Halbleiter
Bismut
(Bi)
(α-Bi)   p5058.678,67 ⋅ 105 Leiter 207,2 Metall  ? Metall
Kohlenstoff
(C)
Graphit
Diamant
Graphit p50633 ⋅ 106 Halbleiter      ? Halbleiter
Germanium
(Ge)
    p5001.451,45 Halbleiter   Halbmetall? 0,75 (0 K)
0,67 (300 K)
Halbleiter
Iod
(I)
    p4928.08,0 ⋅ 10−8 Halbleiter 151 Halogen Halogen
Phosphor
(P)
weißer
schwarzer
roter
violetter
schwarzer p4911.01,0 ⋅ 10−9 Halbleiter 314,8 Halbmetall  ? Nichtmetall?
Polonium
(Po)
(α-Po)
(β-Po)
(α-Po) p5062.192,19 ⋅ 106 Leiter   Metall?  ? Metall
Antimon
(Sb)
graues
schwarzes
explosives
graues p5062.882,88 ⋅ 106 Leiter 262,5 Halbmetall?  ? Halbmetall
Selen
(Se)
graues
schwarzes
rotes
graues p4901.01,0 ⋅ 10−10 Halbleiter 308 Halbmetall 1,74 (300 K) Halbleiter
Silizium
(Si)
    p4962.522,52 ⋅ 10−4 Halbleiter   Halbmetall? 1,17 (0 K)
1,12 (300 K)
Halbleiter
Zinn
(Sn)
graues (α-Sn)
weißes (β-Sn)
(β-Sn) > +13,2 °C p5069.179,17 ⋅ 106 Leiter   Metall? α-Sn
0,08 (0 K)
0,094 (300 K)
Metall
Tellur
(Te)
    p5022.02,0 ⋅ 102 Halbleiter 225 Metall? 0,33 (0 K) Halbleiter

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Halbmetall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Graham Chedd: Halbmetalle. Verlag DVA. Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1
  2. a b c Halbmetalle. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 23. Oktober 2013.
  3.  Peter Paetzold: Chemie: Eine Einführung. Walter de Gruyter, 2009, ISBN 311021135-1, S. 32 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).