Wenn du dir das Periodensystem anschaust, fällt direkt auf, dass die Halbmetalle (gelb) die Grenze zwischen den Metallen (dunkelgrau) und den Nichtmetallen (hellgrau) bilden (Abb. 1). Von den Halbmetallen sind nur Bor (\(\ce{B}\)), Silizium (\(\ce{Si}\)), Arsen (\(\ce{As}\)) und Tellur (\(\ce{Te}\)) wirklich typische Halbmetalle. Germanium (\(\ce{Ge}\)), Antimon \(\ce{(Sb}\)) und Polonium (\(\ce{Po}\)) sind Halbmetalle, aber auch eher Metalle. Selen (\(\ce{Se}\)) und Astat (\(\ce{At}\)) sind auch Halbmetalle, aber auch eher Nichtmetalle.
Warum gibt es Elemente, die mehr oder weniger Halbmetalle sind und woran können wir Halbmetalle erkennen? Das erklären wir dir in diesem Artikel.
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Halbmetalle haben metallische und nichtmetallische Eigenschaften
Die Elemente der Halbmetalle weisen Metall- und Nichtmetalleigenschaften auf. Teilweise bilden die Halbmetalle metallische und nichtmetallische Modifikationen. Das bedeutet, dass die gleichen Elemente unterschiedliche Kristalle auf Teilchenebene bilden. Auf der Stoffebene sehen die Modifikationen unterschiedlich aus und haben verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften.
Metalle glänzen, sind verformbar und durch die Bildung von Metallbindungen leiten sie Wärme und elektrische Energie gut. Die Halbmetalle liegen am Übergang von den Metallbindungen zu den Atombindungen. Dadurch können sie auch metallisch aussehen, sind aber spröde und nicht verformbar (Abb. 2.1-2.4). Dies liegt an dem Unterschied der Metall- und Atombindungen. Bei den Metallbindungen sind die Elektronen um die Atomrümpfe frei beweglich. Beim Verformen des Metalls ordnen sich die Elektronen neu um die Rümpfe an. Wird Kraft auf die Atombindungen ausgewirkt, brechen die Elektronenpaar-Bindungen auf, sodass der Stoff zerbricht.
Halbmetalle haben Eigenschaften als Halbleiter
Halbmetalle haben eine schwache elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur. Mit steigender Temperatur nimmt ihre Leitfähigkeit zu. Deswegen werden sie häufig auch zu den Halbleitern gezählt. Zu der Stoffgruppe der Halbleiter gehören allerdings noch mehr Elemente und Verbindungen.
Halbleiter sind in Hinblick auf ihre elektrische Leitfähigkeit sowohl Leiter als auch Nichtleiter. Ihre Leitfähigkeit ist abhängig von z. B. Wärme- oder Solarenergie, die aufgewendet werden. Silizium (\(\ce{Si}\)) und Germanium (\(\ce{Ge}\)) werden auch Elementhalbleiter genannt.
Bei Raumtemperatur gehen die Silizium-Atome Elektronenpaarbindungen ein, sodass jedes Silizium-Atom quasi acht Außenelektronen besitzt. Bei Energiezufuhr entstehen Löcher dadurch, dass sich die Elektronen von ihrer Position lösen. Diese Löcher werden dann wieder durch andere Elektronenpaare gefüllt usw. Auf diese Weise haben die Elektronen die Möglichkeit durch das Silizium zu wandern. Elektrische Energie wird dabei geleitet.
Wie genau du dir diese Vorgänge auf der Teilchenebene vorstellen kannst, siehst du in Abb. 3.
Silizium wird als Halbmetall vielseitig verwendet
Silizium ist eines der meist verwendeten Produkte in der Halbleiterindustrie. Es wird beispielsweise in Sensoren verwendet oder in der Mikrotechnologie, z. B. in Computerchips. Hier wird hochreines, monokristallines Silizium (eine bestimmte Modifikation des Siliziums) verwendet. In Solarzellen wird ebenfalls hochreines Silizium verwendet (Abb. 4), damit die Solarzellen eine möglichst hohe Lebensdauer haben.