Halbmetalle

Als Halbmetalle werden chemische Elemente bezeichnet, die in ihren Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen Metallen und Nichtmetallen einnehmen. Dazu betrachtet man in erster Linie 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 (s. Tab.).

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

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 Leitfähigkeitsband überzugehen. Die Leitfähigkeit nimmt dann mit der Temperatur stark zu (thermische Eigenleitung).

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. Im PSE sind die Metalle blau, die Nichtmetalle rot und die Halbmetalle grün gekennzeichnet.

Wichtige Halbmetalle

Zu den einzelnen Elementen findet man weiterführende Artikel.

Bor
Vom Halbmetall Bor gibt es vier verschiedene Modifikationen. Bor bildet kein typisches Metallgitter mit frei beweglichen Elektronen, sondern zwischen den Boratomen bestehen die bedeutend festeren kovalenten Bindungen, womit sich sowohl die besondere Härte als auch die hohen Schmelztemperaturen erklären lassen. Bei Raumtemperatur ist die elektrische Leitfähigkeit sehr gering, steigt jedoch beim Erwärmen sehr rasch an. (Bei der Erhöhung von 20 °C auf 600 °C nimmt sie um das Hundertfache zu.) Verwendet wird es in der Halbleitertechnik, in der Elektroindustrie und zur Herstellung von besonders harten Materialien.

Silicium
Einer der bedeutendesten Werkstoffe in der Elektronik ist das Halbmetall Silicium. Das Reinstsilicium wird in der Mikroelektronik (integrierte Schaltkreise für Mikrochips) und in der Fotovoltaik (Solarzellen) verwendet, wo es gezielt mit Arsen, Antimon oder Aluminium dotiert wird. Im reinen Silicium ist jedes Atom tetraedrisch von vier weiteren Siliciumatomen umgeben (siehe Abbildung 2). Bei Zimmertemperatur sind alle vier Außenelektronen in Atombindungen gebunden, wodurch ein regelmäßiges Kristallgitter, analog dem Diamantgitter, ensteht. Mit zunehmender Temperatur lösen sich immer mehr Elektronen und werden frei beweglich. Dadurch steigt die elektrische Leitfähigkeit.

Germanium
Das Halbmetall Germanium wird in der Halbleitertechnik, für optische Bauelemente und zum Bau elektrischer Mess-und Schaltgeräte verwendet. Bei Raumtemperatur kristallisiert es in einer Modikation, in der die Ge-Atome durch Atombindungen zusammengehalten werden und nicht wie in Metallen durch metallische Bindung. Bei Drücken über 12 GPa (Gigapascal) bildet Germanium eine metallische Hochdruckphase, die unterhalb -267,75 °C supraleitend ist.

Für die Herstellung von elektronischen Bauelementen auf Basis von Halbleitern wie Silicium oder Germanium werden durch Dotierung mit Elementen der 5. Hauptgruppe oder der 3. Hauptgruppe gezielt Überschusselektronen (n-Halbleiter) oder Elektronenlöcher (p-Halbleiter) in das Valenzband eingebracht, um eine bestimmte Leitfähigkeit einzustellen. Durch Kombination von n-Leiter-Bereichen und p-Leiter-Bereichen erhält man dann das entsprechende Bauelement.
Die zunehmende Eigenleitfähigkeit des Materials bei höherer Temperatur stört dann aber die gewünschte Funktion des Bauelements und bestimmt somit dessen obere Temperatur-Einsatzgrenzen.

Die Bandlücke zwischen Valenzband und Leitfähigkeitsband ist bei Silicium mit etwa 1,1 eV größer als bei Germanium mit etwa 0,7 eV. Daher treten bei Bauelementen auf Si-Basis erst oberhalb von ca. 150 °C Störungen durch die thermische Eigenleitung auf, während das bei Ge-basierten schon oberhalb von 100 °C der Fall ist. Damit wären sie z. B. hinsichtlich der Verwendung in den Tropen gegenüber Si-basierten Bauelementen unterlegen.

Arsen
Das Halbmetall Arsen bildet mehrere Modifikationen. Die bei Raumtemperatur stabilste Modifikation ist das metallische graue Arsen. Es stellt eine stahlgraue, metallisch glänzende, undurchsichtige, spröde, kristalline Masse dar. Bei Drücken über 14 GPa (Gigapascal) existiert eine metallische Hochdruckphase. Eine metastabile Modifikation ist das gelbe Arsen. Es entsteht z. B. durch Abschrecken von Arsendampf mit flüssiger Luft. Es ist eine nichtmetallische Phase, die aus As${}_4$ - Molekülen mit tetraedrischer Struktur besteht. Es wandelt sich schon bei geringer Energiezufuhr (Licht oder Wärme) in das graue metallische Arsen um. Eingesetzt wird es ebenfalls in der Halbleitertechnik und zur Herstellung spezieller Legierungen mit Kupfer und Blei.

Selen
Selen bildet ebenfalls mehrere Modifikationen, von denen u. a. das rote Selen eine unbeständige, nichtmetallische Modifikation bestehend aus Se${}_8$ -Molekülen ist. Die thermodynamisch stabilste Modifikation ist das metallische graue Selen. Bemerkenswert am metallischen Selen ist der ausgeprägte innere Fotoeffekt, d. h. dass die elektrische Leitfähigkeit bei Belichtung stark zunimmt. Auch der für Halbleiter typische thermoelektrische Effekt ist beachtlich groß. Alle Modifikationen gehen beim Erhitzen in die stabile metallische Modifikation über. Verwendet wird Selen in der Elektrofotografie in Fotokopiergeräten, Fotozellen und Belichtungsmessern sowie in der Metallindustrie als Legierungszusatz.

Antimon
Auch vom Antimon gibt es mehrere verschiedene Modifikationen, wobei insgesamt der metallische Charakter stärker ausgeprägt ist als beim leichteren Homologen Arsen. Die stabilste Modifikation ist grau, metallisch, hart, spröde und beständig gegen Luft. Die Leitfähigkeit ist nur gering. Antimonverbindungen werden u. a. zur Herstellung von Halbleitern verwendet.

Tellur
Tellur gibt es nur in zwei Modifikationen. Die nichtmetallische braunschwarze, amorphe Form geht bei Raumtemperatur langsam, aus der Schmelze sofort in die metallische, kristalline Modifikation über. Sie ist silberweiß und sehr spröde. Im Dampfzustand ist Tellur goldgelb und besteht aus Te${}_2$ -Molekülen.