实验讲义-半导体材料吸收光谱测试分析2015

1、半导体材料吸收光谱测试分析一、实验目的1.掌握半导体材料的能带结构与特点、半导体材料禁带宽度的测量原理与方法。2.掌握紫外可见分光光度计的构造、使用方法和光吸收定律。二、实验仪器及材料紫外可见分光光度计及其消耗品如氘灯、钨灯，玻璃基ZnO薄膜。三、实验原理1.紫外可见分光光度计的构造、光吸收定律(1)仪器构造：光源、单色器、吸收池、检测器、显示记录系统。a光源：钨灯或卤钨灯可见光源，3501000nm；氢灯或氘灯紫外光源，200360nm。b单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件色散元件：棱镜对不同波长的光折射率不同分出光波长不等距； 光栅衍射和干涉分出光波长等距。c吸收池：玻璃能吸收UV光，仅适

2、用于可见光区；石英不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区。 要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）d检测器：将光信号转变为电信号的装置。如：光电池、光电管（红敏和蓝敏）、光电倍增管、二极管阵列检测器。紫外可见分光光度计的工作流程如下：0.575光源 单色器 吸收池 检测器 显示双光束紫外可见分光光度计则为：双光束紫外可见分光光度计的光路图如下：(2)光吸收定律透射光 It 单色光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律： (1)I0：入射光强；Ix：透过厚度x的光强；It：透过膜薄的光强；：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。透射率T为： (2)则 即半导体薄膜对不同波长

3、i单色光的吸收系数为： (3) 2.吸收光谱、半导体材料的能带结构和半导体材料禁带宽度的测量(1) 吸收光谱以不同波长i单色光入射半导体ZnO薄膜（膜厚d为593 nm），测量透射率Ti，由式(3)计算吸收系数i；由 计算光子能量Ei，其中，是频率，c是光速(c =3.01017nm/s)，i是波长(nm)，h是普朗克常数= 4.1361015。然后以吸收系数对光子能量E作图，得到如下的吸收光谱图：(2) 半导体材料的能带结构满带：各个能级都被电子填满的能带；禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性，禁带的宽度称为带隙；价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 (一般被占满) ；E满带价带

4、空带导带 禁带禁带空带：所有能级都没有电子填充的能带； 导带：未被电子占满的价带。导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子，禁带太宽36 eV半导体：价带充满电子，禁带较窄0.12 eV0.12 eV外界能量激励满带电子激励成为导带电子(3) 半导体材料禁带宽度的测量本征吸收：半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。产生本征吸收的条件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即h Eg 根据半导体带间光跃迁的基本理论（见有关半导体物理书籍），在半导体本征吸收带内，吸收系数与光子能量h又有如下关系： (4)式中h为光子

5、能量；Eg为带隙宽度；A是常数。由此公式，可以用(h)2对光子能量h作图，如下：然后在吸收边处选择线性最好的几点做线形拟合，将线性区外推到横轴上的截距就是禁带宽度Eg，即纵轴(h)2为0时的横轴值h。如下图所示：四、实验步骤1.开电脑2.开机3.双击“UV Probe”4.点击下面的“连接”，待全部变绿灯（通过，约10min）后点击“确定”5.点击“编辑”，点击“方法（M）”。在弹出的“光谱方法”对话框中，波长范围输入450和350，扫描速度选“高速”，采样间隔选“0.5”6.点击该对话框中的“仪器参数”，测定方式选“透射率”，狭缝宽度选“1.0”，点击“确定”7.点击“窗口”，点击“3光谱”

6、8. 放入样品：将制备的ZnO薄膜和空白样置光路中（远端为参比池，近端为样品池）9.点击“开始”，仪器开始扫描测定10.扫描完毕，点击“文件”，“另存为”，设定数据保存位置（文件夹）和文件名。11.点击“操作”、“数据打印”，在数据打印区点击右键、“全选”、“复制” 至文本文档（TXT）。即得到一组波长和透射率T %数据12.点击“断开”，关UV Probe（点击“文件”、“退出” ）。关电脑、关机。五、数据处理根据公式和 计算、h和(h)2，用(h)2对光子能量h作图（用Origin作图）。然后在吸收边处选择线性最好的几点做线形拟合，将线性区外推到横轴上的截距就是禁带宽度Eg，即纵轴Y为0时的横轴值X。附Origin作图方法示例（在Origin上的具体操作）： 1 先用 data selector 键选择吸收边上的最好的几点。本次从右到左，（本例选取第10，11，12三点。）2 在Tools菜单键中选用Linear Fit 键，弹出一个选择框，在 Points 改为3，在Range 改为11，并在Span X Axis 框中打勾，在点击 Fit键，即可。如下图所示： 3 在Find Y 输入 0；点击 Find X键即可得知横轴截距Eg 。 所以 ZnO的