實(shí)驗(yàn)講義-半導(dǎo)體材料吸收光譜測試分析2015

1、半導(dǎo)體材料吸收光譜測試分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)、半導(dǎo)體材料禁帶寬度的測量原理與方法。2.掌握紫外可見分光光度計(jì)的構(gòu)造、使用方法和光吸收定律。二、實(shí)驗(yàn)儀器及材料紫外可見分光光度計(jì)及其消耗品如氘燈、鎢燈，玻璃基ZnO薄膜。三、實(shí)驗(yàn)原理1.紫外可見分光光度計(jì)的構(gòu)造、光吸收定律(1)儀器構(gòu)造：光源、單色器、吸收池、檢測器、顯示記錄系統(tǒng)。a光源：鎢燈或鹵鎢燈可見光源，3501000nm；氫燈或氘燈紫外光源，200360nm。b單色器：包括狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件色散元件：棱鏡對不同波長的光折射率不同分出光波長不等距； 光柵衍射和干涉分出光波長等距。c吸收池：玻璃能吸收UV光，僅適

2、用于可見光區(qū)；石英不能吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)。 要求：匹配性（對光的吸收和反射應(yīng)一致）d檢測器：將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。如：光電池、光電管（紅敏和藍(lán)敏）、光電倍增管、二極管陣列檢測器。紫外可見分光光度計(jì)的工作流程如下：0.575光源 單色器 吸收池 檢測器 顯示雙光束紫外可見分光光度計(jì)則為：雙光束紫外可見分光光度計(jì)的光路圖如下：(2)光吸收定律透射光 It 單色光垂直入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，進(jìn)入到半導(dǎo)體內(nèi)的光強(qiáng)遵照吸收定律： (1)I0：入射光強(qiáng)；Ix：透過厚度x的光強(qiáng)；It：透過膜薄的光強(qiáng)；：材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長等因素有關(guān)。透射率T為： (2)則 即半導(dǎo)體薄膜對不同波長

3、i單色光的吸收系數(shù)為： (3) 2.吸收光譜、半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料禁帶寬度的測量(1) 吸收光譜以不同波長i單色光入射半導(dǎo)體ZnO薄膜（膜厚d為593 nm），測量透射率Ti，由式(3)計(jì)算吸收系數(shù)i；由 計(jì)算光子能量Ei，其中，是頻率，c是光速(c =3.01017nm/s)，i是波長(nm)，h是普朗克常數(shù)= 4.1361015。然后以吸收系數(shù)對光子能量E作圖，得到如下的吸收光譜圖：(2) 半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)滿帶：各個(gè)能級都被電子填滿的能帶；禁帶：兩個(gè)能帶之間的區(qū)域其寬度直接決定導(dǎo)電性，禁帶的寬度稱為帶隙；價(jià)帶：由最外層價(jià)電子能級分裂后形成的能帶 (一般被占滿) ；E滿帶價(jià)帶

4、空帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶； 導(dǎo)帶：未被電子占滿的價(jià)帶。導(dǎo)體：(導(dǎo))價(jià)帶電子絕緣體：無價(jià)帶電子，禁帶太寬36 eV半導(dǎo)體：價(jià)帶充滿電子，禁帶較窄0.12 eV0.12 eV外界能量激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子(3) 半導(dǎo)體材料禁帶寬度的測量本征吸收：半導(dǎo)體吸收光子的能量使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁帶寬度Eg。即h Eg 根據(jù)半導(dǎo)體帶間光躍遷的基本理論（見有關(guān)半導(dǎo)體物理書籍），在半導(dǎo)體本征吸收帶內(nèi)，吸收系數(shù)與光子能量h又有如下關(guān)系： (4)式中h為光子

5、能量；Eg為帶隙寬度；A是常數(shù)。由此公式，可以用(h)2對光子能量h作圖，如下：然后在吸收邊處選擇線性最好的幾點(diǎn)做線形擬合，將線性區(qū)外推到橫軸上的截距就是禁帶寬度Eg，即縱軸(h)2為0時(shí)的橫軸值h。如下圖所示：四、實(shí)驗(yàn)步驟1.開電腦2.開機(jī)3.雙擊“UV Probe”4.點(diǎn)擊下面的“連接”，待全部變綠燈（通過，約10min）后點(diǎn)擊“確定”5.點(diǎn)擊“編輯”，點(diǎn)擊“方法（M）”。在彈出的“光譜方法”對話框中，波長范圍輸入450和350，掃描速度選“高速”，采樣間隔選“0.5”6.點(diǎn)擊該對話框中的“儀器參數(shù)”，測定方式選“透射率”，狹縫寬度選“1.0”，點(diǎn)擊“確定”7.點(diǎn)擊“窗口”，點(diǎn)擊“3光譜”

6、8. 放入樣品：將制備的ZnO薄膜和空白樣置光路中（遠(yuǎn)端為參比池，近端為樣品池）9.點(diǎn)擊“開始”，儀器開始掃描測定10.掃描完畢，點(diǎn)擊“文件”，“另存為”，設(shè)定數(shù)據(jù)保存位置（文件夾）和文件名。11.點(diǎn)擊“操作”、“數(shù)據(jù)打印”，在數(shù)據(jù)打印區(qū)點(diǎn)擊右鍵、“全選”、“復(fù)制” 至文本文檔（TXT）。即得到一組波長和透射率T %數(shù)據(jù)12.點(diǎn)擊“斷開”，關(guān)UV Probe（點(diǎn)擊“文件”、“退出” ）。關(guān)電腦、關(guān)機(jī)。五、數(shù)據(jù)處理根據(jù)公式和 計(jì)算、h和(h)2，用(h)2對光子能量h作圖（用Origin作圖）。然后在吸收邊處選擇線性最好的幾點(diǎn)做線形擬合，將線性區(qū)外推到橫軸上的截距就是禁帶寬度Eg，即縱軸Y為0時(shí)的橫軸值X。附Origin作圖方法示例（在Origin上的具體操作）： 1 先用 data selector 鍵選擇吸收邊上的最好的幾點(diǎn)。本次從右到左，（本例選取第10，11，12三點(diǎn)。）2 在Tools菜單鍵中選用Linear Fit 鍵，彈出一個(gè)選擇框，在 Points 改為3，在Range 改為11，并在Span X Axis 框中打勾，在點(diǎn)擊 Fit鍵，即可。如下圖所示： 3 在Find Y 輸入 0；點(diǎn)擊 Find X鍵即可得知橫軸截距Eg 。 所以 ZnO的