Halbmetall - Semimetal
Ein Halbmetall ist ein Material mit einem sehr geringen Überdeckung zwischen dem unteren Rand des Leitungsbandes und dem oberen Rand des Valenzbandes . Nach der elektronischen Bandtheorie können Festkörper in Isolatoren , Halbleiter , Halbmetalle oder Metalle eingeteilt werden . In Isolatoren und Halbleitern ist das gefüllte Valenzband durch eine Bandlücke von einem leeren Leitungsband getrennt . Bei Isolatoren ist der Betrag der Bandlücke größer (zB > 4 eV ) als der eines Halbleiters (zB < 4 eV). Wegen der leichten Überlappung zwischen Leitungs- und Valenzband hat Halbmetall keine Bandlücke und eine vernachlässigbare Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau . Ein Metall hingegen hat eine nennenswerte Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau, weil das Leitungsband teilweise gefüllt ist.
Temperaturabhängigkeit
Die isolierenden/halbleitenden Zustände unterscheiden sich von den halbmetallischen/metallischen Zuständen durch die Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Leitfähigkeit . Bei einem Metall nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ab (aufgrund zunehmender Wechselwirkung von Elektronen mit Phononen (Gitterschwingungen)). Bei einem Isolator oder Halbleiter (der zwei Arten von Ladungsträgern hat – Löcher und Elektronen) tragen sowohl die Ladungsträgermobilitäten als auch die Ladungsträgerkonzentrationen zur Leitfähigkeit bei und diese haben unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten. Letztlich wird beobachtet, dass die Leitfähigkeit von Isolatoren und Halbleitern mit anfänglichen Temperaturerhöhungen über den absoluten Nullpunkt (da mehr Elektronen in das Leitungsband verschoben werden) ansteigt, bevor sie bei mittleren Temperaturen abnimmt und dann bei noch höheren Temperaturen wieder zunimmt. Der halbmetallische Zustand ist dem metallischen Zustand ähnlich, aber in Halbmetallen tragen sowohl Löcher als auch Elektronen zur elektrischen Leitung bei. Bei einigen Halbmetallen, wie Arsen und Antimon , gibt es unterhalb der Raumtemperatur (wie bei Metallen) eine temperaturunabhängige Ladungsträgerdichte, während dies bei Wismut bei sehr niedrigen Temperaturen der Fall ist, aber bei höheren Temperaturen steigt die Ladungsträgerdichte mit der Temperatur an, wodurch ein Halbmetall-Halbleiter-Übergang. Ein Halbmetall unterscheidet sich auch von einem Isolator oder Halbleiter dadurch, dass die Leitfähigkeit eines Halbmetalls immer von Null verschieden ist, während ein Halbleiter bei einer Temperatur von Null keine Leitfähigkeit aufweist und Isolatoren sogar bei Umgebungstemperaturen keine Leitfähigkeit aufweisen (aufgrund einer größeren Bandlücke).
Einstufung
Um Halbleiter und Halbmetalle zu klassifizieren, müssen die Energien ihrer gefüllten und leeren Bänder gegen den Kristallimpuls der Leitungselektronen aufgetragen werden . Nach dem Bloch-Theorem hängt die Elektronenleitung von der Periodizität des Kristallgitters in verschiedene Richtungen ab.
In einem Halbmetall befindet sich die Unterseite des Leitungsbandes typischerweise in einem anderen Teil des Impulsraums (bei einem anderen k- Vektor ) als die Oberseite des Valenzbandes. Man könnte sagen, dass ein Halbmetall ein Halbleiter mit einer negativen indirekten Bandlücke ist , obwohl sie selten so beschrieben werden.
Schaltplan
Schematisch zeigt die Abbildung
- A) ein Halbleiter mit direkter Lücke (zB Kupfer-Indium-Selenid (CuInSe 2 ))
- B) ein Halbleiter mit einer indirekten Lücke (wie Silizium (Si))
- C) ein Halbmetall (wie Zinn (Sn) oder Graphit und die Erdalkalimetalle ).
Die Abbildung ist schematisch und zeigt nur das Leitungsband mit der niedrigsten Energie und das Valenzband mit der höchsten Energie in einer Dimension des Impulsraums (oder k-Raums). In typischen Festkörpern ist der k-Raum dreidimensional und es gibt unendlich viele Bänder.
Im Gegensatz zu einem normalen Metall haben Halbmetalle Ladungsträger beider Arten (Löcher und Elektronen), so dass man auch argumentieren könnte, dass sie eher als "Doppelmetalle" als als Halbmetalle bezeichnet werden sollten. Allerdings kommen die Ladungsträger typischerweise in viel geringerer Zahl vor als in einem echten Metall. In dieser Hinsicht ähneln sie eher entarteten Halbleitern . Dies erklärt, warum die elektrischen Eigenschaften von Halbmetallen zwischen denen von Metallen und Halbleitern liegen .
Physikalische Eigenschaften
Da Halbmetalle weniger Ladungsträger als Metalle haben, weisen sie typischerweise eine geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit auf . Sie haben auch kleine effektive Massen sowohl für Löcher als auch für Elektronen, da die Überlappung der Energie normalerweise das Ergebnis der Tatsache ist, dass beide Energiebänder breit sind. Darüber hinaus weisen sie typischerweise hohe diamagnetische Suszeptibilitäten und hohe Dielektrizitätskonstanten des Gitters auf .
Klassische Halbmetalle
Die klassischen halbmetallischen Elemente sind Arsen , Antimon , Wismut , α- Zinn (graues Zinn) und Graphit , ein Allotrop des Kohlenstoffs . Die ersten beiden (As, Sb) werden auch als Halbmetalle betrachtet, aber die Begriffe Halbmetall und Halbmetall sind nicht synonym. Halbmetalle können im Gegensatz zu Halbmetallen auch chemische Verbindungen sein , wie Quecksilbertellurid (HgTe), und Zinn , Wismut und Graphit werden normalerweise nicht als Halbmetalle betrachtet. Unter extremen Bedingungen wurden transiente Halbmetallzustände berichtet. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich einige leitfähige Polymere wie Halbmetalle verhalten können.