Dopant - Dopant

Un dopant , également appelé agent dopant , est une trace d'élément d'impureté qui est introduit dans un matériau chimique pour altérer ses propriétés électriques ou optiques d'origine . La quantité de dopant nécessaire pour provoquer des changements est généralement très faible. Lorsqu'ils sont dopés dans des substances cristallines , les atomes du dopant sont incorporés dans son réseau cristallin. Les matériaux cristallins sont fréquemment soit des cristaux d'un semi - conducteur tel que le silicium et le germanium pour une utilisation dans l'électronique à l'état solide , soit des cristaux transparents pour une utilisation dans la production de divers types de laser ; cependant, dans certains cas de ces derniers, des substances non cristallines telles que le verre peuvent également être dopées avec des impuretés.

Dans l' électronique à semi-conducteurs utilisant les types appropriés et les quantités de semi - conducteurs est dans dopants ce qui produit les semi - conducteurs de type p et type n semi - conducteurs qui sont essentiels pour la fabrication de transistors et des diodes .

Cristaux transparents

Médias laser

La procédure de dopage de petites quantités de métaux chrome (Cr), néodyme (Nd), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) et quelques autres, dans des cristaux transparents , des céramiques ou des verres est utilisée pour produire le milieu actif pour les lasers à solide . C'est dans les électrons des atomes dopants qu'une inversion de population peut se produire, et cette inversion de population est essentielle pour l' émission stimulée de photons dans le fonctionnement de tous les lasers .

Dans le cas du rubis naturel , ce qui s'est passé, c'est qu'une infime quantité de dopant au chrome a été naturellement distribuée à travers un cristal d' oxyde d'aluminium ( corindon ). Ce chrome à la fois donne au rubis sa couleur rouge, et permet également à un rubis de subir une transposition de population et d'émuler un laser. Les atomes d'aluminium et d'oxygène dans le cristal transparent d'oxyde d'aluminium servaient simplement à soutenir les atomes de chrome dans une bonne répartition spatiale, et sinon, ils n'ont rien à voir avec l'action du laser.

Dans d'autres cas, comme dans le laser au néodyme YAG , le cristal est fabriqué synthétiquement et n'existe pas dans la nature. Le cristal de grenat d'yttrium et d'aluminium artificiel contient des millions d'atomes d'yttrium et, en raison de sa taille physique, de sa valence chimique, etc., il fonctionne bien pour remplacer une petite minorité d'atomes d'yttrium dans son réseau et pour remplacer avec des atomes de la série d'éléments des terres rares , comme le néodyme. Ensuite, ces atomes dopants effectuent réellement le processus d'émission laser dans le cristal. Le reste des atomes du cristal est constitué d'atomes d'yttrium, d'aluminium et d'oxygène, mais tout comme ci-dessus, ces trois autres éléments fonctionnent simplement pour soutenir les atomes de néodyme. De plus, l'erbium, élément de terre rare, peut facilement être utilisé comme dopant plutôt que néodyme, donnant une longueur d'onde différente de sa sortie.

Dans de nombreux hôtes optiquement transparents , ces centres actifs peuvent conserver leur excitation pendant un temps de l'ordre de quelques millisecondes et se détendre avec une émission stimulée , fournissant l'action laser. La quantité de dopant est généralement mesurée en pourcentage atomique . Habituellement, le pourcentage atomique relatif est supposé dans les calculs, en tenant compte du fait que l'ion dopant ne peut se substituer que dans une partie d'un site dans un réseau cristallin. Le dopage peut également être utilisé pour modifier l' indice de réfraction dans les fibres optiques , en particulier dans les fibres à double gaine . Les dopants optiques sont caractérisés par la durée de vie de l'excitation et les sections efficaces d'absorption et d'émission, qui sont les principaux paramètres d'un dopant actif. Habituellement, la concentration en dopant optique est de l'ordre de quelques pourcents voire moins. A grande densité d'excitation, la trempe coopérative (relaxation croisée) réduit l'efficacité de l'action laser.

Exemples

Le domaine médical a une certaine utilité pour les cristaux laser dopés à l' erbium pour les scalpels laser utilisés en chirurgie laser . L'europium , le néodyme et d'autres éléments des terres rares sont utilisés pour doper les verres des lasers. Les grenats d'aluminium dopé à l' holmium et au néodyme yttrium (YAG) sont utilisés comme milieu laser actif dans certains scalpels laser.

Phosphores et scintillateurs

Dans le contexte des luminophores et des scintillateurs , les dopants sont mieux connus sous le nom d' activateurs et sont utilisés pour améliorer le processus de luminescence.

Semi-conducteurs

L'ajout d'un dopant à un semi - conducteur , appelé dopage , a pour effet de décaler les niveaux de Fermi au sein du matériau. Il en résulte un matériau avec des porteurs de charge principalement négatifs ( type n ) ou positifs ( type p ) selon la variété de dopant. Les semi-conducteurs purs qui ont été altérés par la présence de dopants sont appelés semi-conducteurs extrinsèques (voir semi-conducteur intrinsèque ). Les dopants sont introduits dans les semi-conducteurs par diverses techniques : sources solides, gaz, spin sur liquide et implantation ionique. Voir la note de bas de page sur l' implantation ionique , la diffusion de surface et les sources solides.

Autres

La couleur de certaines pierres précieuses est causée par des dopants. Par exemple, le rubis et le saphir sont tous deux de l'oxyde d'aluminium, le premier tirant sa couleur rouge des atomes de chrome, et le second dopé avec l'un de plusieurs éléments, donnant une variété de couleurs.

Voir également

Les références