Допант - Dopant

Легирующей примеси , называемый также присадка , является след примесного элемента , который вводится в химический материал , чтобы изменить свои первоначальные электрические или оптические свойства. Количество допанта, необходимое для того, чтобы вызвать изменения, обычно очень мало. При добавлении в кристаллические вещества атомы допанта встраиваются 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 лазерных устройств.типы; однако в некоторых случаях последнего некристаллические вещества, такие как стекло, также могут быть легированы примесями.

В твердотельной электронике , используя соответствующие типы и количество легирующих примесей в полупроводниках , что производит полупроводники р-типа и полупроводники п-типа , которые необходимы для изготовления транзисторов и диодов .

Прозрачные кристаллы

Лазерные СМИ

Процедура легирования небольших количеств металлов хрома (Cr), неодима (Nd), эрбия (Er), тулия (Tm), иттербия (Yb) и некоторых других в прозрачные кристаллы , керамику или стекло используется для создают активную среду для твердотельных лазеров . Именно в электронах атомов примеси 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 транспозицию населения и имитировать 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 изготавливается синтетически и не встречается в природе. Техногенный иттрий - алюминиевый гранат кристалл содержит миллионы атомов иттрия в ней, и в силу своего физического размером, химическую валентность и т.д., он хорошо работает , чтобы занять место небольшого меньшинства атомов иттрия в его решетке, и заменить их с атомами из ряда 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 примеси 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 лазерное воздействие. Количество легирующей 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 испускания, 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.

Примеры

В медицине 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. Гольмиевый легированных ионами и неодима иттрия алюминиевые гранаты (YAGs) используются в качестве активной лазерной среды в некоторых лазерных скальпелей.

Люминофоры и сцинтилляторы

В контексте люминофоров и сцинтилляторов легирующие примеси более известны как активаторы и используются для усиления процесса люминесценции.

Полупроводники

Добавление легирующего вещества в полупроводник , известное как легирование , приводит к смещению уровней Ферми в материале. 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 способами: твердые источники, газы, спин на жидкости и ионная имплантация. См. Сноски по ионной имплантации , поверхностной диффузии и твердым источникам.

Другие

Цвет некоторых драгоценных камней обусловлен легирующими добавками. Например, рубин и сапфир являются оксидом алюминия, первый из которых приобретает красный цвет из-за атомов хрома, а второй - с примесью любого из нескольких элементов, давая множество цветов.

Смотрите также

использованная литература