Un dopante (también llamado agente dopante ) es una pequeña cantidad de una sustancia que se añade a un material para alterar sus propiedades físicas, como las propiedades eléctricas u ópticas . La cantidad de dopante suele ser muy baja en comparación con el material que se está dopando.
Cuando se dopan sustancias cristalinas , los átomos del dopante se incorporan a la red cristalina de la sustancia. Los materiales cristalinos suelen ser cristales de semiconductores , como el silicio y el 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, las sustancias no cristalinas, como el vidrio, también pueden estar dopadas con impurezas.
En la electrónica de estado sólido, el uso de los tipos y cantidades adecuados de dopantes en 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 cantidades minúsculas 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 pequeña cantidad de dopante de cromo se ha distribuido de forma natural a través de un cristal de óxido de aluminio ( corindón ). Este cromo no sólo le da al rubí su color rojo, sino que también le permite experimentar 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 de neodimio YAG , el cristal se fabrica sintéticamente y no se produce 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 reemplazar a una pequeña minoría de átomos de itrio en su red y reemplazarlos con átomos de la serie de elementos de tierras raras , como el neodimio. Luego, estos átomos dopantes llevan a cabo el proceso de formación de láser en el cristal. El resto de los átomos del cristal consisten en itrio, aluminio y átomos de oxígeno, pero, al igual que antes, estos otros tres elementos funcionan simplemente para soportar los átomos de neodimio. Además, el elemento de tierras raras erbio se puede utilizar fácilmente como dopante en lugar de neodimio, lo que da una longitud de onda diferente de su salida.
En muchos hosts ópticamente transparentes , tales centros activos pueden mantener su excitación durante un tiempo del orden de milisegundos y relajarse con emisión estimulada , proporcionando la acción del láser. La cantidad de dopante se mide generalmente en porcentaje atómico . Por lo general, el porcentaje atómico relativo se supone en los cálculos, teniendo en cuenta que el ion dopante puede sustituir solo en 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 las fibras de doble revestimiento . Los dopantes ópticos se caracterizan por la vida útil de la excitación y las secciones transversales efectivas de absorción y emisión, que son los parámetros principales de un dopante activo. Por lo general, la concentración de dopante óptico es del orden de unos pocos porcentajes o incluso menor. A gran densidad de excitación, el apagado cooperativo (relajación cruzada) reduce la eficiencia de la acción del láser.
En el campo médico, los cristales láser dopados con erbio se utilizan 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 de itrio y aluminio dopados con holmio y neodimio (YAG) se utilizan como medio láser activo en algunos bisturís láser. [1]
En el contexto de los fósforos y 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 , conocida como dopaje , tiene el efecto de cambiar los niveles de Fermi dentro del material. [ cita requerida ] Esto da como resultado un material con portadores de carga predominantemente negativos ( tipo n ) o positivos ( tipo p ) dependiendo de la variedad del 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 en una variedad de técnicas: fuentes sólidas, gases, espín sobre líquido e implantación de iones. Ver implantación de iones , difusión superficial y fuentes sólidas nota al pie.
El color de algunas piedras preciosas se debe a la presencia de 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 varios elementos, lo que le da una variedad de colores.