ドーパント

ドーパント（ドーピング剤とも呼ばれる）は、電気的特性や光学的特性などの物理的特性を変更するために材料に添加される少量の物質です。ドーパントの量は、通常、ドープされる材料に比べて非常に少ないです。

結晶性物質にドープすると、ドーパントの原子は物質の結晶格子に組み込まれます。結晶性物質は、多くの場合、固体電子機器に使用されるシリコンやゲルマニウムなどの半導体の結晶、またはさまざまなレーザータイプの製造に使用される透明結晶のいずれかです。ただし、後者の場合には、ガラスなどの非結晶性物質にも不純物がドープされることがあります。

固体電子機器では、半導体に適切な種類と量のドーパントを使用することで、トランジスタやダイオードの製造に不可欠なp 型半導体とn 型半導体が生成されます。

クロム(Cr)、ネオジム(Nd)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb) などの金属を透明な結晶、セラミック、またはガラスに微量ドーピングする手順は、固体レーザーの活性媒体を生成するために使用されます。反転分布はドーパント原子の電子内で生成され、この反転分布はすべてのレーザーの動作における光子の誘導放出に不可欠です。

天然ルビーの場合、微量のクロムドーパントが酸化アルミニウム(コランダム) の結晶に自然に分布しています。このクロムはルビーに赤い色を与えるだけでなく、ルビーが反転分布を起こしてレーザーとして機能することを可能にします。酸化アルミニウムの透明な結晶内のアルミニウム原子と酸素原子は、単にクロム原子を適切な空間分布でサポートする役割を果たしており、それ以外はレーザー動作とは関係ありません。

ネオジム YAG レーザーなどの他のケースでは、結晶は人工的に作られ、自然界には存在しません。人工のイットリウム アルミニウム ガーネット結晶には数百万個のイットリウム原子が含まれており、その物理的サイズ、化学価数などにより、結晶格子内の少数のイットリウム原子の位置を占め、ネオジムなどの希土類元素の原子と置き換えることができます。次に、これらのドーパント原子が実際に結晶内でレーザー発振プロセスを実行します。結晶内の残りの原子はイットリウム、アルミニウム、酸素原子で構成されていますが、上記と同様に、これら他の 3 つの元素は単にネオジム原子をサポートする機能を果たします。さらに、希土類元素のエルビウムをネオジムの代わりにドーパントとして使用することで、出力の波長を変えることができます。

多くの光学的に透明なホストでは、このような活性中心は数ミリ秒のオーダーで励起状態を維持し、誘導放出を伴って緩和し、レーザー動作を提供します。 ドーパントの量は、通常、原子パーセントで測定されます。通常、計算では、ドーパントイオンが結晶格子内の一部のサイトでのみ置換できることを考慮して、相対的な原子パーセントが想定されます。 ドーピングは、光ファイバー、特に二重クラッドファイバーの屈折率を変更するためにも使用できます。 光ドーパントは、励起寿命と有効吸収断面積および有効放出断面積によって特徴付けられ、これらは活性ドーパントの主なパラメータです。通常、光ドーパントの濃度は数パーセントのオーダーか、それ以下です。励起密度が高いと、協同的な消光（交差緩和）によってレーザー動作の効率が低下します。

医療分野では、レーザー手術に使用されるレーザーメスにエルビウム添加レーザー結晶が使用されています。ユーロピウム、ネオジム、その他の希土類元素は、レーザー用ガラスの添加に使用されます。ホルミウム添加およびネオジムイットリウムアルミニウムガーネット（YAG）は、一部のレーザーメスの活性レーザー媒体として使用されます。 ^[1]

蛍光体やシンチレータの分野では、ドーパントは活性剤として知られており、発光プロセスを強化するために使用されます。^[2]

半導体にドーパントを加えることをドーピングといい、物質内のフェルミ準位をシフトさせる効果がある。 ^{[要出典]その結果、ドーパントの種類に応じて、主に負 (} n 型) または正 ( p 型)の電荷キャリアを持つ物質ができる。ドーパントの存在によって変化した純粋な半導体は、外因性半導体と呼ばれる(真性半導体を参照)。ドーパントは、固体源、ガス、スピンオン液体、イオン注入など、さまざまな技術で半導体に導入される。イオン注入、表面拡散、固体源の脚注を参照。

一部の宝石の色はドーパントによって生じます。たとえば、ルビーとサファイアはどちらも酸化アルミニウムで、前者はクロム原子によって赤色を呈し、後者は複数の元素のいずれかがドープされてさまざまな色を呈します。

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