Войти
A dopant, также называемый легирующий агент, представляет собой след примесного элемента, который вводится в химический материал для изменения его исходного электрического или оптические свойства. Количество допанта, необходимое для того, чтобы вызвать изменения, обычно очень мало. При легировании в кристаллические вещества атомы добавки включаются в его кристаллическую решетку. Кристаллические материалы часто представляют собой кристаллы полупроводника, такого как кремний и германий для использования в твердотельной электронике, или прозрачные кристаллы для использования в производстве различных лазеров ; однако в некоторых случаях последнего некристаллические вещества, такие как стекло, также могут быть легированы примесями.
В твердотельной электронике использование соответствующих типов и количества легирующих добавок в полупроводниках - вот что производит полупроводники p-типа и полупроводники n-типа, которые необходимы для изготовление транзисторов и диодов.
Процедура легирования небольших количеств металлов хрома (Cr), неодим (Nd), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb) и некоторые другие, в прозрачные кристаллы, керамику или стекла. Используется для изготовления активной среды для твердотельных лазеров. Именно в электронах примесных атомов может быть произведена инверсия населенностей, и эта инверсия населенностей важна для вынужденного излучения фотонов при работе всех лазеров..
В случае природного рубина произошло то, что небольшое количество примеси хрома было естественным образом распределено через кристалл оксида алюминия (корунд ). Этот хром придает рубину красный цвет, а также позволяет рубину претерпевать инверсию населенностей и действовать как лазер. Атомы алюминия и кислорода в прозрачном кристалле оксида алюминия служили просто для того, чтобы поддерживать атомы хрома в хорошем пространственном распределении, и в остальном они не имеют ничего общего с действием лазера.
В других случаях, например, в неодимовом YAG-лазере, кристалл сделан синтетически и не встречается в природе. Искусственный кристалл иттрий-алюминиевого граната содержит в себе миллионы атомов иттрия, и благодаря своему физическому размеру, химической валентности и т. Д. Он хорошо работает, чтобы заменить небольшую часть атомов иттрия в его решетку, и заменить их атомами из ряда элементов редкоземельных элементов, таких как неодим. Затем эти легирующие атомы фактически осуществляют процесс генерации в кристалле. Остальные атомы в кристалле состоят из атомов иттрия, алюминия и кислорода, но, как и выше, эти три других элемента просто поддерживают атомы неодима. Кроме того, в качестве легирующей добавки можно легко использовать редкоземельный элемент эрбий, а не неодим, что дает другую длину волны его выхода.
Во многих оптически прозрачных хозяевах такие активные центры могут сохранять свое возбуждение в течение времени порядка миллисекунд и релаксировать с помощью стимулированного излучения, обеспечивая лазер действие. Количество примеси обычно измеряется в атомных процентах. Обычно в расчетах принимается относительный атомный процент с учетом того, что ион легирующей примеси может замещать только часть узла в кристаллической решетке. Легирование также можно использовать для изменения показателя преломления в оптических волокнах, особенно в волокнах с двойной оболочкой. Оптические легирующие примеси характеризуются временем жизни возбуждения и эффективными сечениями поглощения и излучения, которые являются основными параметрами активной легирующей примеси. Обычно концентрация оптической примеси составляет порядка нескольких процентов или даже ниже. При большой плотности возбуждения кооперативное тушение (кросс-релаксация) снижает эффективность лазерного воздействия.
В области медицины используются лазерные кристаллы, легированные эрбием, для лазерных скальпелей, которые используются в лазерной хирургии.. Европий, неодим и другие редкоземельные элементы используются для легирования стекол для лазеров. Гольмиевые -дегированные и неодимовые иттриевые алюминиевые гранаты (YAG) используются в качестве активной лазерной среды в некоторых лазерных скальпелях.
В контексте люминофоров и сцинтилляторов легирующие добавки, более известные как активаторы, используются для усиления процесса люминесценции.
Добавление легирующей примеси к полупроводнику, известное как легирование, приводит к смещению уровней Ферми в пределах материал. В результате получается материал с преимущественно отрицательными (n-тип ) или положительными (p-тип ) носителями заряда в зависимости от разновидности легирующей примеси. Чистые полупроводники, которые были изменены присутствием примесей, известны как внешние полупроводники (см. собственный полупроводник ). Легирующие добавки вводятся в полупроводники различными методами: твердые источники, газы, спин на жидкости и ионная имплантация. См. Сноски ионная имплантация, поверхностная диффузия и твердые источники.
Цвет некоторых драгоценных камней обусловлен легирующими присадками. Например, рубин и сапфир являются оксидом алюминия, первый из которых приобретает красный цвет из-за атомов хрома, а второй легирован любым из нескольких элементов, давая множество цветов.
