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半金属は、伝導帯の底と価電子帯の頂上の間にわずかなエネルギーの重なりがあるが、運動量空間では重なりがない物質である。電子バンド理論によれば、固体は絶縁体、半導体、半金属、または金属に分類できる。絶縁体と半導体では、満たされた価電子帯は空の伝導帯からバンドギャップによって分離されている。絶縁体の場合、バンドギャップの大きさは半導体の場合（例えば、< 4 eV ）よりも大きい（例えば、> 4 eV）。伝導帯と価電子帯の重なりがわずかであるため、半金属にはバンドギャップがなく、フェルミ準位での状態密度が小さい。対照的に、金属は伝導帯が部分的に満たされているため、フェルミ準位での状態密度がかなり大きい。[ 1 ]
絶縁体/半導体状態は、電気伝導率の温度依存性において、半金属/金属状態とは異なります。金属の場合、伝導率は温度の上昇とともに低下します（電子とフォノン（格子振動）の相互作用が増加するため）。絶縁体または半導体（正孔と電子の2種類の電荷キャリアを持つ）の場合、キャリア移動度とキャリア濃度の両方が伝導率に寄与し、これらは異なる温度依存性を示します。最終的に、絶縁体と半導体の伝導率は、絶対零度を超える温度の初期上昇とともに増加し（より多くの電子が伝導帯に移動するため）、中間温度で減少し、さらに高温になると再び増加することが観察されます。半金属状態は金属状態に似ていますが、半金属では正孔と電子の両方が電気伝導に寄与します。ヒ素やアンチモンなどの一部の半金属では、室温以下では（金属と同様に）温度に依存しないキャリア密度が存在するが、ビスマスでは、これは極低温では当てはまるものの、高温ではキャリア密度が温度とともに増加し、半金属-半導体転移が生じる。また、半金属は絶縁体や半導体とは異なり、半金属の導電率は常にゼロではないのに対し、半導体はゼロ温度でのみ導電率がゼロであり、絶縁体は室温でも、そして多くの場合、より高い温度でも（バンドギャップが広いため）導電率がほぼゼロである[ a ] 。
半導体と半金属を分類するには、それらの充填バンドと空バンドのエネルギーを伝導電子の結晶運動量に対してプロットする必要がある。ブロッホの定理によれば、電子の伝導は結晶格子の周期性によって異なる方向に変化する。
半金属では、伝導帯の底は通常、価電子帯の頂とは異なる運動量空間（異なるkベクトル）に位置します。半金属は負の間接バンドギャップを持つ半導体であると言えますが、そのような表現で説明されることはほとんどありません。
極めて小さいバンドギャップやわずかに負のバンドギャップを持つ材料を半導体または半金属として分類することは、困難になることがあります。たとえば、よく知られている化合物 Fe 2 VAl は、輸送特性、電気抵抗率、およびゼーベック係数の測定の自己無撞着解析を使用して、実際に小さなギャップ (~ 0.03 eV) の半導体であることが示されるまで、20 年以上にわたって半金属 (負のギャップ ~ -0.1 eV ) であると考えられていました[ 2 ] 。バンドギャップを調査するために一般的に使用される実験手法は、バンドギャップの大きさ、電子構造の特徴 (直接ギャップか間接ギャップか)、および自由電荷キャリアの数 (合成条件に依存することが多い) など、多くのものに敏感です。輸送特性モデリングから得られるバンドギャップは、基本的にこれらの要因に依存しません。一方、電子構造を計算する理論的手法は、バンドギャップを過小評価することがよくあります。
図は概略的に、
この図は模式図であり、運動量空間（またはk空間）の一次元における、最もエネルギーの低い伝導帯と最もエネルギーの高い価電子帯のみを示している。一般的な固体では、k空間は三次元であり、バンドの数は無限である。
通常の金属とは異なり、半金属は正孔と電子の両方の電荷キャリアを持つため、半金属ではなく「二重金属」と呼ぶべきだという意見もある。しかし、電荷キャリアの数は、通常の金属に比べてはるかに少ない。この点において、半金属は縮退半導体により近い性質を持つ。これが、半金属の電気的性質が金属と半導体の中間的な性質を示す理由である。
半金属は金属よりも電荷キャリアが少ないため、一般的に電気伝導率と熱伝導率が低くなります。また、エネルギーバンドが広いため、正孔と電子の両方の有効質量が小さくなります。さらに、一般的に高い反磁性感受率と高い格子誘電率を示します。
古典的な半金属元素は、ヒ素、アンチモン、ビスマス、α-スズ（灰色スズ）、および炭素の同素体であるグラファイトです。最初の2つ（As、Sb）はメタロイドとも考えられていますが、半金属とメタロイドという用語は同義ではありません。メタロイドとは対照的に、半金属はテルル化水銀（HgTe）[ 3 ]のような化学化合物である場合もあります。また、スズ、ビスマス、グラファイトは通常メタロイドとは考えられていません。[ 4 ]