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Halbmetalle



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.

Inhaltsverzeichnis

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 eher 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
LiBe  B C N O F Ne
NaMg  AlSiP S ClAr
K CaSc TiV CrMnFeCoNiCuZnGaGe AsSeBrKr
RbSrY   ZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSb TeI Xe
CsBaLa* HfTaW ReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
FrRaAc** RfDbSgBhHsMtDsRg
 
  * CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu
  **ThPaU NpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr

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. Als Halbmetalle sind danach kristalline Festkörper mit einer Bandlücke, die den Wert Null oder einen Wert im Bereich der thermischen Energie kBT hat, wobei kB 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 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.

Die Zuordnung sollte deshalb nach der häufigsten Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck erfolgen.

Noch komplizierter wird es bei den Verbindungen. Dies kann man gut am Beispiel Cd1-yHgyTe zeigen. Reines CdTe ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 1,8 eV. Wird der Quecksilberanteil erhöht, verringert sich die Bandlücke und erreicht bei einem Anteil von y = 0,15 den Wert Null[1].

H  He
LiBe  B C N O F Ne
NaMg  AlSiP S ClAr
K CaSc TiV CrMnFeCoNiCuZnGaGe AsSeBrKr
RbSrY   ZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSb TeI Xe
CsBaLa* HfTaW ReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
FrRaAc** RfDbSgBhHsMtDsRg
 
  * CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu
  **ThPaU NpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr
  • B, Si, Ge, Se, Te wären nach dieser Klassifikation Halbleiter.
  • As, Sb wären nach dieser Klassifikation Halbmetalle.
  • Ga, Sn, Bi, Po wären Metalle.

Übersichtstabelle mit physikalischen und chemischen Eigenschaften

Die Schwierigkeit einer exakten Definition der Halbmetalle zeigt folgende Tabelle (Bitte fehlende Werte eintragen):

As At B Bi Ge I P Po Sb Se Si Sn Te
Modifikationen graues
gelbes
schwarzes
(α-Bi) weißer
schwarzer
roter
violetter
(α-Po)
(β-Po)
(α-Sn)
(β-Sn)
häufigste Modifikation graues 25 g
in der Erdkruste
schwarzer (α-Po) (β-Sn)
> +13,2 °C
Elektrische Leitfähigkeit in S/m 3,45·106 - 1,0·10-4 0,867·106 1,45 8,0·10-8 1,0·10-9 2,19·106 2,88·106 1,0·10-10 2,52·10-4 9,17·106 200
Zuordnung anhand der elektrischen LeitfähigkeitLeiter Halogen Halbleiter Leiter Halbleiter Halbleiter Halbleiter Leiter Leiter Halbleiter Halbleiter Leiter Halbleiter
Dissoziationsenergie in kJ/mol 302,7 - 207,2 151 314,8 262,5 308 225
Zuordnung anhand der Dissoziationsenergie Halbmetall - Halbmetall? Metall Halbmetall? Halogen Halbmetall Metall? Halbmetall? Halbmetall Halbmetall? Metall? Metall?
Bandlücke in eV (300 K) ? - ? ? 0,75 (0 K)
0,67 (300 K)
- ? ? ? -
1,74 (300 K)
1,17 (0 K)
1,12( 300 K)
? 0,33 (0 K)
-
Zuordnung anhand der Bandlücke Halbmetall Halogen Halbleiter Metall Halbleiter Halogen Nichtmetall? Metall Halbmetall Halbleiter Halbleiter Metall Halbleiter
  • Werte beziehen sich auf die häufigste Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck

Quellen

  1. www.roempp.com

Siehe auch

 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Halbmetalle aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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