Un dopante (también llamado agente dopante ) es una pequeña cantidad de una sustancia que se agrega a un material para alterar sus propiedades físicas, como las eléctricas u ópticas . La cantidad de dopante suele ser muy baja en comparación con el material que se está dopando.
Cuando se dopa con sustancias cristalinas , los átomos del dopante se incorporan a la red cristalina de la sustancia. Los materiales cristalinos son frecuentemente cristales de un semiconductor como silicio y germanio para su uso en electrónica de estado sólido o cristales transparentes para su uso en la producción de diversos tipos de láser ; sin embargo, en algunos casos de estos últimos también se pueden dotar con impurezas sustancias no cristalinas, como por ejemplo el vidrio .
En la electrónica de estado sólido, el uso de los tipos y cantidades adecuados de dopantes en los semiconductores es lo que produce los semiconductores de tipo p y los semiconductores de tipo n , que son esenciales para fabricar transistores y diodos .
El procedimiento de dopar pequeñas cantidades de los metales cromo (Cr), neodimio (Nd), erbio (Er), tulio (Tm), iterbio (Yb) y algunos otros, en cristales transparentes , cerámicas o vidrios se utiliza para producir el medio activo para láseres de estado sólido . Es en los electrones de los átomos dopantes donde se puede producir una inversión de población , y esta inversión de población es esencial para la emisión estimulada de fotones en el funcionamiento de todos los láseres .
En el caso del rubí natural , lo que ha ocurrido es que una ínfima cantidad de dopante de cromo se ha distribuido de forma natural a través de un cristal de óxido de aluminio ( corindón ). Este cromo le da al rubí su color rojo y también le permite sufrir una inversión de población y actuar como un láser. Los átomos de aluminio y oxígeno en el cristal transparente de óxido de aluminio sirvieron simplemente para mantener a los átomos de cromo en una buena distribución espacial y, por lo demás, no tienen nada que ver con la acción del láser.
En otros casos, como en el láser YAG de neodimio , el cristal se fabrica sintéticamente y no se encuentra en la naturaleza. El cristal de granate de itrio y aluminio fabricado por el hombre contiene millones de átomos de itrio y, debido a su tamaño físico, valencia química, etc., funciona bien para ocupar el lugar de una pequeña minoría de átomos de itrio en su red y para reemplazar con átomos de la serie de elementos de tierras raras , como el neodimio. Luego, estos átomos dopantes realmente llevan a cabo el proceso láser en el cristal. El resto de los átomos del cristal consisten en átomos de itrio, aluminio y oxígeno, pero al igual que antes, estos otros tres elementos funcionan simplemente para sostener los átomos de neodimio. Además, el elemento de tierras raras erbio se puede utilizar fácilmente como dopante en lugar de neodimio, lo que proporciona una longitud de onda diferente en su salida.
En muchos huéspedes ópticamente transparentes , dichos centros activos pueden mantener su excitación durante un tiempo del orden de milisegundos y relajarse con una emisión estimulada , proporcionando la acción del láser. La cantidad de dopante generalmente se mide en porcentaje atómico . Por lo general, en los cálculos se asume el porcentaje atómico relativo, teniendo en cuenta que el ion dopante puede sustituir sólo en una parte de un sitio en una red cristalina. El dopaje también se puede utilizar para cambiar el índice de refracción en fibras ópticas , especialmente en fibras de doble revestimiento . Los dopantes ópticos se caracterizan por su vida útil de excitación y las secciones transversales efectivas de absorción y emisión, que son parámetros principales de un dopante activo. Normalmente, la concentración de dopante óptico es del orden de un pequeño porcentaje o incluso inferior. Con una alta densidad de excitación, el enfriamiento cooperativo (relajación cruzada) reduce la eficiencia de la acción del láser.
En el campo médico se utilizan cristales láser dopados con erbio para los bisturís láser que se utilizan en la cirugía láser . El europio , el neodimio y otros elementos de tierras raras se utilizan para dopar vidrios para láseres. Los granates dopados con holmio y neodimio -itrio-aluminio (YAG) se utilizan como medio láser activo en algunos bisturíes láser. [1]
En el contexto de los fósforos y los centelleadores , los dopantes son más conocidos como activadores y se utilizan para mejorar el proceso de luminiscencia. [2]
La adición de un dopante a un semiconductor , conocido como dopaje , tiene el efecto de cambiar los niveles de Fermi dentro del material. [ cita necesaria ] Esto da como resultado un material con portadores de carga predominantemente negativos ( tipo n ) o positivos ( tipo p ), dependiendo de la variedad dopante. Los semiconductores puros que han sido alterados por la presencia de dopantes se conocen como semiconductores extrínsecos (ver semiconductor intrínseco ). Los dopantes se introducen en semiconductores mediante diversas técnicas: fuentes sólidas, gases, giro en líquido e implantación de iones. Véase la nota al pie sobre implantación de iones , difusión superficial y fuentes sólidas.
El color de algunas piedras preciosas es causado por dopantes. Por ejemplo, el rubí y el zafiro son óxido de aluminio; el primero obtiene su color rojo de los átomos de cromo y el segundo está dopado con cualquiera de varios elementos, lo que le da una variedad de colores.