Легирующая примесь (также называемая легирующим агентом ) — это небольшое количество вещества, добавляемого к материалу для изменения его физических свойств, таких как электрические или оптические свойства. Количество легирующей примеси обычно очень мало по сравнению с легируемым материалом.
При легировании кристаллических веществ атомы легирующей примеси включаются в кристаллическую решетку вещества. Кристаллические материалы часто представляют собой либо кристаллы полупроводника, например , кремния и германия, для использования в твердотельной электронике , либо прозрачные кристаллы для использования в производстве различных типов лазеров ; однако в некоторых случаях последнего некристаллические вещества, например, стекло, также могут быть легированы примесями.
В твердотельной электронике использование правильных типов и количеств легирующих примесей в полупроводниках позволяет получать полупроводники p-типа и полупроводники n-типа , которые необходимы для изготовления транзисторов и диодов .
Процедура легирования крошечных количеств металлов хрома (Cr), неодима (Nd), эрбия (Er), тулия (Tm), иттербия (Yb) и некоторых других в прозрачные кристаллы , керамику или стекла используется для создания активной среды для твердотельных лазеров . Именно в электронах атомов легирующей примеси может быть создана инверсия населенностей , и эта инверсия населенностей необходима для вынужденного излучения фотонов при работе всех лазеров .
В случае с натуральным рубином произошло то, что небольшое количество легирующей примеси хрома естественным образом распределилось через кристалл оксида алюминия ( корунд ). Этот хром и придает рубину красный цвет, и также позволяет рубину претерпевать инверсию заселенности и действовать как лазер. Атомы алюминия и кислорода в прозрачном кристалле оксида алюминия служили просто для поддержки атомов хрома в хорошем пространственном распределении, и в остальном они не имеют никакого отношения к действию лазера.
В других случаях, например, в неодимовом лазере YAG , кристалл изготавливается синтетически и не встречается в природе. Искусственно созданный кристалл иттрий-алюминиевого граната содержит в себе миллионы атомов иттрия, и благодаря своему физическому размеру, химической валентности и т. д. он хорошо подходит для того, чтобы занять место небольшого меньшинства атомов иттрия в своей решетке и заменить их атомами из ряда редкоземельных элементов, таких как неодим. Затем эти атомы легирующей примеси 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 выполняют функцию простой поддержки атомов неодима. Кроме того, редкоземельный элемент эрбий может быть легко использован в качестве легирующей примеси вместо неодима, что дает другую длину волны его выходного сигнала.
Во многих оптически прозрачных носителях такие активные центры могут сохранять свое возбуждение в течение времени порядка миллисекунд и релаксировать со стимулированным излучением , обеспечивая лазерное воздействие. Количество легирующей примеси обычно измеряется в атомных процентах . Обычно в расчетах предполагается относительный атомный процент, принимая во внимание, что ион легирующей примеси может замещать только часть узла в кристаллической решетке. Легирование также может использоваться 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 активного легирующего примеси. Обычно концентрация оптической легирующей примеси составляет порядка нескольких процентов или даже ниже. При большой плотности возбуждения кооперативное гашение (кросс-релаксация) снижает эффективность лазерного воздействия.
В медицинской области есть некоторое применение для эрбиевых лазерных кристаллов для лазерных скальпелей , которые используются в лазерной хирургии . Европий , неодим и другие редкоземельные элементы используются для легирования стекол для лазеров. Гольмиевые и неодимовые иттрий-алюминиевые гранаты (YAG) используются в качестве активной лазерной среды в некоторых лазерных скальпелях. [1]
В контексте фосфоров и сцинтилляторов легирующие примеси более известны как активаторы и используются для усиления процесса люминесценции. [2]
Добавление легирующей примеси к полупроводнику , известное как легирование , приводит к сдвигу уровней Ферми внутри материала. [ требуется ссылка ] Это приводит к материалу с преимущественно отрицательными ( n-типа ) или положительными ( p-типа ) носителями заряда в зависимости от разновидности легирующей примеси. Чистые полупроводники, измененные присутствием легирующих примесей, известны как примесные полупроводники (см. собственный полупроводник ). Легирующие примеси вводятся в полупроводники различными методами: твердые источники, газы, спин-жидкость и ионная имплантация. См. сноску по ионной имплантации , поверхностной диффузии и твердым источникам.
Цвет некоторых драгоценных камней обусловлен легирующими примесями. Например, рубин и сапфир являются оксидами алюминия, причем первый получает свой красный цвет от атомов хрома, а второй легирован любым из нескольких элементов, что дает множество цветов.