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Halbmetalle Lage im PeriodensystemDie sind Elemente und stehen im Periodensystem zwischen den Metallen und den Nichtmeta

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.

Halbleiter ist ein Überbegriff und umfasst Halbmetalle und Verbindungshalbleiter gleichermaßen. Früher wurden Halbmetalle auch als Metalloide bezeichnet, wobei diese Bezeichnung auch für Nichtmetalle verwendet wurde.

Die Anregung eines Halbleiters durch thermische Energie.

Definition Bearbeiten

Ältere Definition Bearbeiten

Die ursprüngliche Definition der Halbmetalle gilt heute in der Chemie als veraltet. Sie definiert die Halbmetalle als eine Reihe von Elementen, die in der 3. bis 6. Hauptgruppe 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
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 hat, wobei die Boltzmann-Konstante und die absolute Temperatur ist. Typische 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, 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 Bearbeiten

Physikalische Eigenschaften Bearbeiten

Als Halbmetalle werden die chemischen Elemente bezeichnet, die in ihren Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen den Metallen und den Nichtmetallen einnehmen. Sie weisen halbleitende und amphotere Eigenschaften auf, sind aber nicht mit der Stoffgruppe der Halbleiter identisch. Es handelt sich bei Halbmetallen um Feststoffe, die teilweise sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen bilden. Dazu betrachtet man u. a. die elektrische Leitfähigkeit der kristallinen Feststoffe. Zahlreiche Halbmetalle haben Halbleitereigenschaften, d. h., sie weisen eine mittlere elektrische Leitfähigkeit auf, die mit steigender Temperatur wächst. Allerdings sind die Begriffe Halbleiter und Halbmetall keine Synonyme. So gibt es halbleitende Oxide und Polymere, die keine Halbmetalle, sondern 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 Elektronen im Valenzband, das durch eine Bandlücke von dem höher liegenden Leitungsband getrennt ist. In Halbleitern sind bei tiefen Temperaturen praktisch alle Elektronen im Valenzband. Bei den Elementen der 4. Hauptgruppe wie Silicium und Germanium ist dieses dann vollständig besetzt, sodass kein Strom fließen kann. Aber bereits bei Zimmertemperatur haben die Elektronen ausreichend Energie, um die Bandlücke zu überwinden und in das Leitungsband überzugehen. Die Leitfähigkeit nimmt dann mit der Temperatur stark zu.

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) 2076 3642 1410 44,2 938,3 613 221 630,63 449,51 575
Siedepunkt in °C (1013 hPa) 3930 3642 3260 280 2830 613 685 1635 990 610
Dichte in g/cm³ (20 °C, 1013 hPa) 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 S/m 1,0 · 10−4 3 · 106 2,52 · 10−4 1,0 · 10−9 1,45–2,2 3,03 · 106 1,0 · 10−10 2,5 · 106 1 · 104
Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K) 27 150 0,236 60 50 0,52 24 3 2
Dissoziationsenergie in kJ/mol 314,8 302,7 308 262,5 225
Bandlücke in eV 1,12 0,67 1,74
Ordnungszahl 5 6 14 15 32 33 34 51 52 85
Atommasse in 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
Modifikationen⁠(1) Graphit
Diamant 		weiß
schwarz
rot
violett 		grau
gelb
schwarz 		grau
schwarz
rot 		grau
schwarz
explosiv
Kristallsystem⁠(2) P3 Graphit: h

Diamant: A4

A4 cl A4 P3 h P3 h cF

Chemische Eigenschaften Bearbeiten

Die Zwischenstellung der Halbmetalle zeigt sich auch im amphoteren Charakter der Elemente und ihrer Oxide. So lösen sich die meisten Halbmetalle sowohl in Säuren als auch in Basen. Die Oxide können ebenfalls mit Säuren und Basen Salze bilden. Von den meisten Halbmetallen existieren sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen. Auch im Periodensystem der Elemente nehmen die Halbmetalle eine Mittelstellung ein.

Literatur Bearbeiten

  • 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 Bearbeiten

Wiktionary: Halbmetall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Graham Chedd: Halbmetalle. Verlag DVA. Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1.
  2. Franz Zach: Leistungselektronik - Ein Handbuch. 5. Auflage. Springer Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-04898-3, S. 1827.
  3. Wilhelm Steffen: Lehrbuch der anorganischen reinen und technischen Chemie (experimental-Chemie).: Die Metalloide. Maier, 1889, S. 22 (books.google.com).
  4. Christa-Maria Eulitz, Sigrid Scheuermann, Hans-Joachim Thier: Brockhaus ABC Chemie. F.A. Brockhaus, 1965 (books.google.com).
  5. ↑ Eintrag zu Halbmetalle. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 23. Oktober 2013.
  6. Peter Paetzold: Chemie: Eine Einführung. Walter de Gruyter, 2009, ISBN 3-11-021135-1, S. 32 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7. ↑ Duden Learnattack GmbH: Halbmetalle
  8. ↑ 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).
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Veröffentlichungsdatum:
Halbmetalle Lage im PeriodensystemDie Halbmetalle sind Elemente und stehen im Periodensystem zwischen den Metallen und den Nichtmetallen Sie konnen von der elektrischen Leitfahigkeit und vom Aussehen her weder den Metallen noch den Nichtmetallen zugeordnet werden Alle Halbmetalle sind Feststoffe bei Normalbedingungen Halbleiter ist ein Uberbegriff und umfasst Halbmetalle und Verbindungshalbleiter gleichermassen 1 Fruher wurden Halbmetalle auch als Metalloide 2 bezeichnet wobei diese Bezeichnung auch fur Nichtmetalle verwendet wurde 3 4 Die Anregung eines Halbleiters durch thermische Energie Inhaltsverzeichnis 1 Definition 1 1 Altere Definition 1 2 Neuere Definition 2 Eigenschaften 2 1 Physikalische Eigenschaften 2 2 Chemische Eigenschaften 3 Literatur 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseDefinition BearbeitenAltere Definition Bearbeiten Die ursprungliche Definition der Halbmetalle gilt heute in der Chemie als veraltet Sie definiert die Halbmetalle als eine Reihe von Elementen die in der 3 bis 6 Hauptgruppe des Periodensystems stehen 5 Zu den Halbmetallen gehoren die folgenden Elemente 6 B Bor typisches HalbmetallSi Silicium typisches HalbmetallGe Germanium ist eher ein MetallAs Arsen typisches HalbmetallSb Antimon ist eher ein MetallBi Bismut ist eher ein MetallSe Selen ist eher ein NichtmetallTe Tellur typisches HalbmetallPo Polonium ist ein MetallDiese 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 tragt Im Allgemeinen ist ihre elektrische Leitfahigkeit bei Raumtemperatur ziemlich klein nimmt aber mit zunehmender Temperatur stark zu im Gegensatz zu Metallen Deswegen werden Halbmetalle auch als elementare Halbleiter bezeichnet Tatsachlich sind aber viele dieser Elemente klassische Halbleiter wie Germanium oder Silicium Ihre aussere Elektronenschale ist mit drei bis sechs Elektronen besetzt deswegen konnen 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 HeLi Be B C N O F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I XeCs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At RnFr 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 LrNeuere 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 Festkorper als nur auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften Halbmetalle sind danach kristalline Festkorper mit einer Bandlucke die den Wert Null oder einen Wert im Bereich der thermischen Energie k B T displaystyle k mathrm B T nbsp hat wobei k B displaystyle k mathrm B nbsp die Boltzmann Konstante und T displaystyle T nbsp die absolute Temperatur ist 5 Typische Vertreter aus dem Bereich der Elemente sind die Kohlenstoff Modifikation Graphit und graues Zinn a Sn 5 Eine exakte Zuordnung ist allerdings sehr schwierig da wie erwahnt die unterschiedlichen Kristallmodifikationen meist unterschiedliche Eigenschaften besitzen So ist weisses Zinn b Sn ein Metall und graues Zinn a Sn ein Halbleiter letzteres kann aber auch als Halbmetall bezeichnet werden Die Zuordnung sollte deshalb nach der haufigsten Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck erfolgen H HeLi Be B C N O F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I XeCs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At RnFr 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 LrB 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 BearbeitenPhysikalische Eigenschaften Bearbeiten Als Halbmetalle werden die chemischen Elemente bezeichnet die in ihren Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen den Metallen und den Nichtmetallen einnehmen Sie weisen halbleitende und amphotere Eigenschaften auf sind aber nicht mit der Stoffgruppe der Halbleiter identisch Es handelt sich bei Halbmetallen um Feststoffe die teilweise sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen bilden Dazu betrachtet man u a die elektrische Leitfahigkeit der kristallinen Feststoffe Zahlreiche Halbmetalle haben Halbleitereigenschaften d h sie weisen eine mittlere elektrische Leitfahigkeit auf die mit steigender Temperatur wachst Allerdings sind die Begriffe Halbleiter und Halbmetall keine Synonyme So gibt es halbleitende Oxide und Polymere die keine Halbmetalle sondern Verbindungen sind Die spezifische Leitfahigkeit von Halbleitern wie Silicium oder Germanium ist um mehrere Grossenordnungen geringer als die der Metalle Die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter kann man mit dem Bandermodell erklaren Nach diesem Modell befinden sich die Elektronen im Valenzband das durch eine Bandlucke von dem hoher liegenden Leitungsband getrennt ist In Halbleitern sind bei tiefen Temperaturen praktisch alle Elektronen im Valenzband Bei den Elementen der 4 Hauptgruppe wie Silicium und Germanium ist dieses dann vollstandig besetzt sodass kein Strom fliessen kann Aber bereits bei Zimmertemperatur haben die Elektronen ausreichend Energie um die Bandlucke zu uberwinden und in das Leitungsband uberzugehen Die Leitfahigkeit nimmt dann mit der Temperatur stark zu 7 Die Werte beziehen sich auf die haufigste Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck Element Bor Kohlenstoff Silicium Phosphor Germanium Arsen Selen Antimon Tellur AstatSchmelzpunkt in C 1013 hPa 8 2076 3642 1410 44 2 938 3 613 221 630 63 449 51 575Siedepunkt in C 1013 hPa 8 3930 3642 3260 280 2830 613 685 1635 990 610Dichte in g cm 20 C 1013 hPa 8 2 460 2 26 2 336 1 83 5 323 5 73 4 819 6 697 6 24Mohsharte 9 3 0 5 6 5 6 0 3 5 2 0 3 0 2 25Elektrische Leitfahigkeit in S m 1 0 10 4 3 106 2 52 10 4 1 0 10 9 1 45 2 2 3 03 106 1 0 10 10 2 5 106 1 104Warmeleitfahigkeit in W m K 27 150 0 236 60 50 0 52 24 3 2Dissoziationsenergie in kJ mol 314 8 302 7 308 262 5 225Bandlucke in eV 1 12 0 67 1 74Ordnungszahl 5 6 14 15 32 33 34 51 52 85Atommasse in u 10 81 12 011 28 085 30 974 72 630 74 922 78 971 121 760 127 60Elektronegativitat 2 04 2 55 1 90 2 19 2 01 2 18 2 55 2 05 2 1 2 2Modifikationen 1 GraphitDiamant weissschwarzrotviolett graugelbschwarz grauschwarzrot grauschwarzexplosivKristallsystem 2 P3 Graphit h Diamant A4 A4 cl A4 P3 h P3 h cF 1 Die haufigste Modifikation ist fett markiert 2 cl kubisch raumzentriert cF kubisch flachenzentriert P3 rhomboedrisch oP orthorhombisch A4 Diamantstruktur h hexagonalChemische Eigenschaften Bearbeiten Die Zwischenstellung der Halbmetalle zeigt sich auch im amphoteren Charakter der Elemente und ihrer Oxide So losen sich die meisten Halbmetalle sowohl in Sauren als auch in Basen Die Oxide konnen ebenfalls mit Sauren und Basen Salze bilden Von den meisten Halbmetallen existieren sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen Auch im Periodensystem der Elemente nehmen die Halbmetalle eine Mittelstellung ein 7 Literatur BearbeitenGraham 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 Bearbeiten nbsp Wiktionary Halbmetall Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme UbersetzungenEinzelnachweise Bearbeiten 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 S 1827 Wilhelm Steffen Lehrbuch der anorganischen reinen und technischen Chemie experimental Chemie Die Metalloide Maier 1889 S 22 books google com Christa Maria Eulitz Sigrid Scheuermann Hans Joachim Thier Brockhaus ABC Chemie F A Brockhaus 1965 books google com a b c Eintrag zu Halbmetalle In Rompp Online Georg Thieme Verlag abgerufen am 23 Oktober 2013 Peter Paetzold Chemie Eine Einfuhrung Walter de Gruyter 2009 ISBN 3 11 021135 1 S 32 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b Duden Learnattack GmbH Halbmetalle a b c P Haussinger 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 Elementkategorien im Periodensystem Alkalimetalle Erdalkalimetalle Halogene Edelgase Lanthanoide Actinoide Ubergangsmetalle Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Normdaten Sachbegriff GND 4158819 8 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php 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