SchulfächerSchulfächer

Halbmetalle

Haben chemische Elemente Eigenschaften, die eine Zwischenstellung zwischen Metallen und Nichtmetallen einnehmen, so bezeichnet man sie als Halbmetalle. In erster Linie betrachte man die elektrische Leitfähigkeit der kristallinen Feststoffe.

Eigenschaften Metalle Halbmetalle Nichtmetalle
Leitfähigkeit bei Zimmertemperatur leiten elektrischen Strom leiten elektrischen Strom kaum leiten elektrischen Strom nicht
Leitfähigkeit bei steigender Temperatur Leitfähigkeit nimmt ab, elektrischer Widerstand nimmt zu Leitfähigkeit nimmt zu, elektrischer Widerstand nimmt ab keine Veränderungen

Halbleitereigenschaften haben zahlreiche Halbmetalle. Dies bedeutet, dass sie eine mittlere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Mit steigender Temperatur steigt diese. Die Begriffe Halbleiter und Halbmetall sind allerdings keine Synonyme. Es gibt halbleitende Oxide und Polymere, die keine Halbmetalle, jedoch Verbindungen sind.

Spezifische elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe in Ω-1 m-1 (20 °C):

Leiter Halbleiter Isolatoren
Aluminium 3,6 · 107 Bor 10-4 Glas 10-11-10-7
Kupfer 5,9 · 107 Germanium 2 Porzellan 10-12
Silber 6,3 · 107 Silicium 2 Polypropylen 10-5
Quecksilber 106     Diamant 10-13

Die Zunahme der Leitfähigkeit mit steigender Temperatur bei Halbleitern kann man mit dem Bändermodell, einem besonderen physikalischen Modell, erklären.

Im amphoteren Charakter der Elemente und ihrer Oxide zeigt sich auch die Zwischenstellung der Halbmetalle. Sowohl in Säuren als auch in Basen lösen sich die meisten Halbmetalle. Ebenfalls mit Säuren und Basen können Oxide Salze bilden.

Sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen existieren von den meisten Halbmetallen. Halbmetalle nehmen auch eine Mittelstellung im Periodensystem der Elemente ein.

Wichtige Halbmetalle

  • Bor
    Vier verschiedene Modifikationen gibt es vom Halbmetall Bor. Es bildet kein typischen Metallgitter mit frei beweglichen Elektronen. Bedeutend festere kovalente Bindungen bestehen zwischen den Boratomen. Die besondere Härte und auch die hohen Schmelztemperaturen lassen sich damit erklären. Sehr gering ist die elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur. Beim Erwärmen jedoch steigt die Leitfähigkeit rasch an. So nimmt sie z. B. bei der Erhöhung von 20°C auf 600°C um das Hundertfache zu. Bor wird in der Halbleitertechnik, in der Elektroindustrie und zur Herstellung von besonders harten Materialien verwendet.
     
  • Silicium
    In der Elektronik ist das Halbmetall Silicium einer der bedeutendsten Werkstoffe. Reinstsilicium wird in der Fotovoltaik (Solarzellen) und in der Mikroelektronik (integrierte Schaltkreise für Mikrochips) verwendet. Hier wird es gezielt dosiert mit Arsen, Antimon oder Aluminium. Von vier weiteren Siliciumatomen ist jedes Atom im reinen Silicium tetraedrisch umgeben. Alle vier Außenelektronen sind bei Zimmertemperatur in Atombindungen gebunden. Es entsteht, analog dem Diamantgitter, ein regelmäßiges Kristallgitter. Immer mehr Elektronen lösen sich und werden frei beweglich, wenn die Temperatur zunimmt. Die Leitfähigkeit steigt dadurch.
     
  • Germanium
    Verwendung findet das Halbmetall Germanium in der Halbleitertechnik, für optische Bauelemente sowie zum Bau elektrischer Mess- und Schaltgeräte. Es kristallisiert bei Raumtemperatur in einer Modifikation. Durch Atombindungen werden die Ge-Atome dabei zusammengehalten, nicht wie in Metallen durch metallische Bindung. Germanium bildet bei Drücken über 12 GPa (Gigapascal) metallische Hochdruckphase, die supraleitend ist unterhalb -267,75°C.
     
  • Arsen
    Mehrere Modifikationen bildet das Halbmetall Arsen. Das metallische graue Arsen ist bei Raumtemperatur die stabilste Modifikation. Eine stahlgraue, metallisch glänzende, undurchsichtige, spröde, kristalline Masse stellt es dar. Es existiert eine metallische Hochdruckphase bei Drücken über 14 GPa (Gigapascal). Das gelbe Arsen ist eine metastabile Modifikation. Zum Beispiel durch Abschrecken von Arsendampf mit flüssiger Luft entsteht es. Eine nichtmetallische Phase ist es. Sie besteht aus As4-Molekülen mit tetraedrischer Struktur. Schon bei geringer Zufuhr von Energie (Wärme, Licht) wandelt es sich in das graue metallische Arsen um. Es wird ebenfalls in der Halbleitertechnik eingesetzt und zur Herstellung spezieller Legierungen mit Kupfer und Blei.
     
  • Selen
    Ebenfalls mehrere Modifikationen bildet Selen. Eine unbeständige, nichtmetallische Modifikation bestehend aus Se8-Molekülen ist von denen unter anderem das rote Selen. Das metallische graue Selen ist die thermodynamisch stabilste Modifikation. Der ausgeprägte innere Fotoeffekt ist am metallischen Selen bemerkenswert. Was bedeutet, dass bei Belichtung die elektrische Leitfähigkeit stark zunimmt. Beachtlich groß ist auch der für Halbleiter typische thermoelektrische Effekt. Beim Erhitzen gehen alle Modifikationen in die stabile metallische Modifikation über. Selen findet Verwendung in der Elektrofotografie in Fotokopiergeräten, Fotozellen und Belichtungsmessern, aber auch als Legierungszusatz in der Metallindustrie.
     
  • Antimon
    Antimon besitzt ebenfalls verschiedene Modifikationen. Anders als beim leichteren Homologen Arsen ist hier der metallische Charakter insgesamt stärker ausgeprägt. Grau, metallisch, hart, spröde und beständig gegen Luft ist die stabilste Modifikation. Es besitzt nur eine geringe Leitfähigkeit. Unter anderem werden Antimonverbindungen zur Herstellung von Halbleitern verwendet.
     
  • Tellur
    Nur zwei Modifikationen gibt es von Tellur. Langsam geht die nichtmetallische braunschwarze, amorphe Form bei Raumtemperatur in die metallische, kristalline Modifikation über. Aus der Schmelze vollzieht sich dieser Vorgang sofort. Silberweiß und sehr spröde ist sie. Tellur ist im Dampfzustand goldgelb und besteht aus Te2-Molekülen.