Quelltext der Seite Halbmetalle

{{Infobox Elementgruppe
| GruppeV = Metalle
| GruppeA = Halbmetalle
| GruppeN = Nichtmetalle
| Gruppe = Hm
}}
Die '''Halbmetalle''' sind Elemente und stehen im [[Periodensystem]] zwischen den [[Metalle]]n und den [[Nichtmetalle]]n. Sie können von der [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrischen Leitfähigkeit]] und vom Aussehen her weder den Metallen noch den Nichtmetallen zugeordnet werden. Alle Halbmetalle sind [[Feststoff]]e bei [[Normalbedingungen]].

[[Halbleiter]] ist ein Überbegriff und umfasst Halbmetalle und [[III-V-Verbindungshalbleiter|Verbindungshalbleiter]] gleichermaßen.<ref>Graham Chedd: ''Halbmetalle.'' Verlag DVA. Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1.</ref> Früher wurden Halbmetalle auch als '''Metalloide<ref>{{Literatur |Autor=Franz Zach |Titel=Leistungselektronik - Ein Handbuch |Hrsg= |Sammelwerk= |Band= |Nummer= |Auflage=5 |Verlag=Springer Verlag |Ort=Wiesbaden |Datum=2015 |ISBN=978-3-658-04898-3 |Seiten=1827}}</ref>''' bezeichnet, wobei diese Bezeichnung auch für [[Nichtmetalle]] verwendet wurde.<ref>{{Literatur |Autor=Wilhelm Steffen |Titel=Lehrbuch der anorganischen reinen und technischen Chemie (experimental-Chemie).: Die Metalloide |Verlag=Maier |Ort= |Datum=1889 |Seiten=22 |Online=[https://books.google.com/books?id=czBGAAAAYAAJ&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA22&dq=Metalloide&hl=de books.google.com]}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Christa-Maria Eulitz, Sigrid Scheuermann, Hans-Joachim Thier |Titel=Brockhaus ABC Chemie |Verlag=F.A. Brockhaus |Ort= |Datum=1965 |Seiten= |Online=[https://books.google.com/books?id=FlrVAAAAMAAJ&newbks=0&printsec=frontcover&dq=%2522Metalloide%2522+%2522nichtmetalle%2522+%2522halbmetalle%2522&q=%2522Metalloide%2522+%2522nichtmetalle%2522+%2522halbmetalle%2522&hl=de books.google.com]}}</ref>
[[Datei:Bändermodel Anregung.png|mini|Die Anregung eines Halbleiters durch thermische Energie.]]

== Definition ==
=== Ältere Definition ===
Die ursprüngliche Definition der Halbmetalle gilt heute in der Chemie als veraltet. Sie definiert die Halbmetalle als eine Reihe von [[Chemisches Element|Elementen]], die in der 3. bis 6. [[Hauptgruppe]] des [[Periodensystem]]s stehen.<ref name="roempp">{{RömppOnline|ID=RD-08-00226|Name=Halbmetalle|Abruf=2013-10-23}}</ref>

Zu den Halbmetallen gehören die folgenden Elemente:<ref name="Peter Paetzold">{{Literatur |Autor=Peter Paetzold |Titel=Chemie: Eine Einführung |Verlag=Walter de Gruyter |Datum=2009 |ISBN=3-11-021135-1 |Seiten=32 |Online={{Google Buch | BuchID = rVuSsDZr5CAC |Seite=32}}}}</ref>

{| class="centered" border="0" style="border-collapse:collapse;"
| style="width:10%" | B
| style="width:32%" | [[Bor]]
| style="width:48%" |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 [[Metalle]]n als auch Eigenschaften klassischer [[Nichtleiter]] auf. Sie kommen meist in zwei [[Allotropie|allotropen]] [[Modifikation (Chemie)|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 [[Elektron]]en 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.

{| class="centered" style="border:thin ridge gray"
! H || colspan="17" |&nbsp; ||He
|-
! Li || Be || colspan="11" |&nbsp; ||bgcolor="#FFC000"|[[Bor|B]] ||bgcolor="#FFF000"|[[Kohlenstoff|C]]||N ||O ||F ||Ne
|-
! Na || Mg || colspan="11" |&nbsp; ||Al||bgcolor="#FFC000"|[[Silicium|Si]]||bgcolor="#FFF000"|[[Phosphor|P]]||S||Cl||Ar
|-
! K  || Ca || Sc ||&nbsp;||Ti||V||Cr||Mn||Fe||Co||Ni||Cu||Zn||Ga|| bgcolor="#FFF000"|[[Germanium|Ge]] ||bgcolor="#FFC000"|[[Arsen|As]]||bgcolor="#FFF000"|[[Selen|Se]]||Br||Kr
|-
! Rb || Sr || Y  ||&nbsp;||Zr||Nb||Mo||Tc||Ru||Rh||Pd||Ag||Cd||In||Sn||bgcolor="#FFF000"|[[Antimon|Sb]] ||bgcolor="#FFC000"|[[Tellur|Te]]||I||Xe
|-
! Cs || Ba || La ||*     ||Hf||Ta||W ||Re||Os||Ir||Pt||Au||Hg||Tl||Pb||Bi||bgcolor="#FFF000"|[[Polonium|Po]]||bgcolor="#FFF000"|[[Astat|At]]||Rn
|-
! Fr || Ra || Ac ||**    ||Rf||Db||Sg||Bh||Hs||Mt||Ds||Rg||Cn||
|-
| colspan="19"|
|-
! colspan="3"|&nbsp; ||* ||Ce||Pr||Nd||Pm||Sm||Eu||Gd||Tb||Dy||Ho||Er||Tm||Yb||Lu||
|-
! colspan="3"|&nbsp; ||**||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 [[Thermische Energie|thermischen Energie]] <math>k_\mathrm BT</math> hat, wobei <math>k_\mathrm B</math> die [[Boltzmann-Konstante]] und <math>T</math> die absolute [[Temperatur]] ist.<ref name="roempp" /> Typische Vertreter aus dem Bereich der Elemente sind die [[Kohlenstoff]]-Modifikation [[Graphit]] und graues [[Zinn]] (α-Sn).<ref name="roempp" />

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

{| class="centered" style="border:thin ridge gray"
! H || colspan="17" |&nbsp; ||He
|-
! Li || Be || colspan="11" |&nbsp; ||bgcolor="#FFC000"|[[Bor|B]]||bgcolor="#FFC000"|[[Kohlenstoff|C]]||N ||O ||F ||Ne
|-
! Na || Mg || colspan="11" |&nbsp; ||bgcolor="#A9A9A9"|[[Aluminium|Al]]||bgcolor="#FFC000"|[[Silicium|Si]]||bgcolor="#FFC000"|[[Phosphor|P]]||S ||Cl||Ar
|-
! K  || Ca || Sc ||&nbsp;||Ti||V ||Cr||Mn||Fe||Co||Ni||Cu||Zn||bgcolor="#A9A9A9"|[[Gallium|Ga]]||bgcolor="#FFC000"|[[Germanium|Ge]]||bgcolor="#FFF000"|[[Arsen|As]]||bgcolor="#FFC000"|[[Selen|Se]]||Br||Kr
|-
! Rb || Sr || Y  ||&nbsp;||Zr||Nb||Mo||Tc||Ru||Rh||Pd||Ag||Cd||bgcolor="#A9A9A9"|[[Indium|In]]||bgcolor="#A9A9A9"|[[Zinn|Sn]]||bgcolor="#FFF000"|[[Antimon|Sb]]||bgcolor="#FFC000"|[[Tellur|Te]]||I||Xe
|-
! Cs || Ba || La ||*     ||Hf||Ta||W ||Re||Os||Ir||Pt||Au||Hg||bgcolor="#A9A9A9"|[[Thallium|Tl]]||bgcolor="#A9A9A9"|[[Blei|Pb]]||bgcolor="#A9A9A9"|[[Bismut|Bi]]||bgcolor="#A9A9A9"|[[Polonium|Po]]||bgcolor="#CDCD00"|[[Astat|At]]||Rn
|-
! Fr || Ra || Ac ||**    ||Rf||Db||Sg||Bh||Hs||Mt||Ds||Rg||Cn||
|-
| colspan="19"|
|-
! colspan="3"|&nbsp; ||* ||Ce||Pr||Nd||Pm||Sm||Eu||Gd||Tb||Dy||Ho||Er||Tm||Yb||Lu||
|-
! colspan="3"|&nbsp; ||**||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]].

== Eigenschaften ==

=== Physikalische Eigenschaften ===
Als Halbmetalle werden die [[Chemisches Element|chemischen Elemente]] bezeichnet, die in ihren Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen den [[Metalle]]n und den [[Nichtmetalle]]n einnehmen. Sie weisen halbleitende und [[amphoter]]e Eigenschaften auf, sind aber nicht mit der Stoffgruppe der [[Halbleiter]] identisch. Es handelt sich bei Halbmetallen um [[Feststoff]]e, die teilweise sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen bilden. Dazu betrachtet man u.&nbsp;a. die [[elektrische Leitfähigkeit]] der [[kristall]]inen Feststoffe. Zahlreiche Halbmetalle haben Halbleitereigenschaften, d.&nbsp;h., sie weisen eine mittlere elektrische Leitfähigkeit auf, die mit steigender [[Temperatur]] wächst. Allerdings sind die Begriffe Halbleiter und Halbmetall keine [[Synonym]]e. So gibt es halbleitende [[Oxide]] und [[Polymer]]e, die keine Halbmetalle, sondern [[Chemische Verbindung|Verbindungen]] sind. Die spezifische Leitfähigkeit von Halbleitern wie [[Silicium]] oder [[Germanium]] ist um mehrere Größenordnungen geringer als die der Metalle.

Die elektrischen Eigenschaften der [[Halbleiter]] kann man mit dem [[Bändermodell]] erklären. Nach diesem Modell befinden sich die [[Elektron]]en im [[Valenzband]], das durch eine [[Bandlücke]] von dem höher liegenden [[Leitungsband]] getrennt ist. In Halbleitern sind bei tiefen [[Temperatur]]en praktisch alle Elektronen im Valenzband. Bei den Elementen der 4. [[Hauptgruppe]] wie [[Silicium]] und [[Germanium]] ist dieses dann vollständig besetzt, sodass kein [[Elektrischer Strom|Strom]] fließen kann. Aber bereits bei [[Zimmertemperatur]] haben die Elektronen ausreichend [[Energie]], um die Bandlücke zu überwinden und in das Leitungsband überzugehen. Die [[Elektrische Leitfähigkeit|Leitfähigkeit]] nimmt dann mit der Temperatur stark zu.<ref name=":0">Duden Learnattack GmbH: [https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie/artikel/halbmetalle Halbmetalle]</ref>
{| class="wikitable"
|+Die Werte beziehen sich auf die häufigste Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck.
!Element
![[Bor]]
![[Kohlenstoff]]
![[Silicium]]
![[Phosphor]]
![[Germanium]]
![[Arsen]]
![[Selen]]
![[Antimon]]
![[Tellur]]
![[Astat]]
|-
|'''[[Schmelzpunkt]] in [[°C]]''' (1013 hPa)<ref name="ullmann">P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: ''Noble Gases.'' In: ''[[Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]].'' Wiley-VCH, Weinheim 2006 ({{DOI|10.1002/14356007.a17_485}}).</ref>
|2076
|3642
|1410
|44,2
|938,3
|613
|221
|630,63
|449,51
|575
|-
|'''[[Siedepunkt]] in [[°C]]''' (1013 hPa)<ref name="ullmann" />
|3930
|3642
|3260
|280
|2830
|613
|685
|1635
|990
|610
|-
|'''[[Dichte]] in [[Gramm|g]]/[[cm³]]''' (20&nbsp;°C, 1013 hPa)<ref name="ullmann" />
|2,460
|2,26
|2,336
|1,83
|5,323
|5,73
|4,819
|6,697
|6,24
|
|-
|'''[[Mohshärte]]'''
|9,3
|0,5
|6,5
|
|6,0
|3,5
|2,0
|3,0
|2,25
|
|-
|'''[[Elektrische Leitfähigkeit]] in [[Siemens (Einheit)|S]]/[[Meter|m]]'''
|1,0 · 10<sup>−4</sup>
|3 · 10<sup>6</sup>
|2,52 · 10<sup>−4</sup>
|1,0 · 10<sup>−9</sup>
|1,45–2,2
|3,03 · 10<sup>6</sup>
|1,0 · 10<sup>−10</sup>
|2,5 · 10<sup>6</sup>
|1 · 10<sup>4</sup>
|
|-
|'''[[Wärmeleitfähigkeit]] in [[Watt (Einheit)|W]]/([[Meter|m]]·[[Kelvin|K]])'''
|27
|
|150
|0,236
|60
|50
|0,52
|24
|3
|2
|-
|'''[[Dissoziationsenergie]] in[[Kilojoule|&nbsp;kJ]]/[[mol]]'''
|
|
|
|314,8
|
|302,7
|308
|262,5
|225
|
|-
|'''[[Bandlücke]] in [[Elektronenvolt|eV]]'''
|
|
|1,12
|
|0,67
|
|1,74
|
|
|
|-
|'''[[Ordnungszahl]]'''
|5
|6
|14
|15
|32
|33
|34
|51
|52
|85
|-
|'''[[Atommasse]] in [[Atomare Masseneinheit|u]]'''
|10,81
|12,011
|28,085
|30,974
|72,630
|74,922
|78,971
|121,760
|127,60
|
|-
|'''[[Elektronegativität]]'''
|2,04
|2,55
|1,90
|2,19
|2,01
|2,18
|2,55
|2,05
|2,1
|2,2
|-
|'''[[Modifikation (Chemie)|Modifikationen]]'''{{FN|(1)|gruppe=Modifikationen}}
|
|'''[[Graphit]]'''<br />[[Diamant]]
|
|weiß<br />'''schwarz'''<br />rot<br />violett
|
|'''grau'''<br />gelb<br />schwarz
|'''grau'''<br />schwarz<br />rot
|'''grau'''<br />schwarz<br />explosiv
|
|
|-
|'''[[Kristallsystem]]'''{{FN|(2)|gruppe=Kristallsysteme}}
|P{{overline|3}}
|[[Graphit]]: h
[[Diamant]]: A4
|A4
|cl
|A4
|P{{overline|3}}
|h
|P{{overline|3}}
|h
|cF
|}

:{{FNZ |gruppe=Modifikationen|1=(1) |2=Die häufigste Modifikation ist fett markiert.}}
:{{FNZ |gruppe=Kristallsysteme|1=(2) |2=cl: [[kubisch raumzentriert]], cF: [[kubisch flächenzentriert]], P{{overline|3}}: [[rhomboedrisch]], oP: [[Orthorhombisches Kristallsystem|orthorhombisch]], A4: [[Diamantstruktur]], h: [[Hexagonales Kristallsystem|hexagonal]]}}

=== Chemische Eigenschaften ===
Die Zwischenstellung der Halbmetalle zeigt sich auch im [[amphoter]]en Charakter der [[Chemisches Element|Elemente]] und ihrer [[Oxide]]. So lösen sich die meisten Halbmetalle sowohl in [[Säuren]] als auch in [[Basen (Chemie)|Basen]]. Die Oxide können ebenfalls mit Säuren und Basen [[Salze]] bilden. Von den meisten Halbmetallen existieren sowohl metallische als auch nichtmetallische [[Modifikation (Chemie)|Modifikationen]]. Auch im [[Periodensystem]] der Elemente nehmen die Halbmetalle eine Mittelstellung ein.<ref name=":0" />

== Literatur ==

* Graham Chedd: ''Halbmetalle.'' Verlag DVA, Stuttgart, 1971, ISBN 3-421-02246-1.
* Franz Zach: ''Leistungselektronik – Ein Handbuch.'' 5. Auflage, Springer Verlag, Wiesbaden, 2015 ISBN 978-3-658-04898-3.

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Halbmetall}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Elementkategorien}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4158819-8}}

[[Kategorie:Halbmetall| ]]