8、半導(dǎo)體材料吸收光譜測(cè)試分析

1、半導(dǎo)體材料吸收光譜測(cè)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(cè)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、繪圖打印機(jī)，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UV762雙光束紫外可見分光光度計(jì)外觀圖：(1)儀器構(gòu)造：光源、單色器、吸收池、檢測(cè)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(duì)不同波長(zhǎng)的光折射率不同分出光波長(zhǎng)不等距； 光柵衍射

2、和干涉分出光波長(zhǎng)等距。c吸收池：玻璃能吸收UV光，僅適用于可見光區(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(duì)光的吸收和反射應(yīng)一致）d檢測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。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(cè)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(cè)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(guò)厚度x的光強(qiáng)；It：透過(guò)膜薄的光強(qiáng)；：材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長(zhǎng)等因

3、素有關(guān)。透射率T為： (2)則 即半導(dǎo)體薄膜對(duì)不同波長(zhǎng)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(cè)量(1) 吸收光譜以不同波長(zhǎng)i單色光入射半導(dǎo)體ZnO薄膜（膜厚d為593nm），測(cè)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 =3.0×1017nm/s)，i是波長(zhǎng)(nm)，h是普朗克常數(shù)= 4.136×1015。然后以吸收系數(shù)對(duì)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(jí)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

4、帶隙；價(jià)帶：由最外層價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶 (一般被占滿) ；E滿帶價(jià)帶空帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶空帶：所有能級(jí)都沒(méi)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(wú)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(cè)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(guò)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），

5、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為光子能量；Eg為帶隙寬度；A是常數(shù)。由此公式，可以用(h)2對(duì)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.開機(jī)并自檢2.將制備的ZnO薄膜和空白樣置光路中，在主菜單中選擇“光譜測(cè)量”3.在“光譜測(cè)量”菜單中設(shè)測(cè)量模式：T掃描范圍：370410nm記錄范圍：0.000120掃描速度：中采樣間隔：0.1掃描次數(shù)：1顯示模式：連續(xù)按“Start”鍵。掃描。顯示圖譜后按“F3”存貯圖譜并命名。按“F4”。4

6、. 在主菜單中選擇“數(shù)據(jù)處理”，按“F2”調(diào)用剛剛存貯的圖譜，用“多點(diǎn)采集”采集370410nm內(nèi)每隔2nm的透射率T數(shù)據(jù)（即372、374、376、408、410nm），記錄之。五、數(shù)據(jù)處理根據(jù)公式和 計(jì)算、h和(h)2，用(h)2對(duì)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