8半导体材料吸收光谱测试分析

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笊灯、鸨灯、绘图打印机,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UV762双光束紫外可见分光光度计外观图：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：鸨灯或卤鸨灯 一一可见光源,3501000nm；氢灯或笊灯 一一紫外光源, 200360nm.b.单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件色散元件：棱镜一一对不同波长的光折射率不同分

2、出光波长不等距；光栅一一衍射和干预分出光波长等距.c.吸收池：玻璃一一能吸收UV光,仅适用于可见光区；石英 一一不能吸收紫外光,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：吸收池 检测器 显示光源单色器双光束紫外可见分光光度计那么为:双光束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外表时,进入到半导体内的光强遵照吸收定律:Ix = "一 'ItdloeIo：入射光强；IX：透过厚度X的

3、光强；It：透过膜薄的光强；a：材料吸收系数,与材料、入 射光波长等因素有关.透射率T为:1 t -： d一 二e那么ln(1/T) = ln e: d,二 d即半导体薄膜对不同波长九i单色光的吸收系数为：ln(1/TJ2 .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九i单色光入射半导体ZnO薄膜(膜厚d为593nm),测量透射率Ti,由式(3)计算吸收系数a;由E =hv=hc/A计算光子能量 Ei,其中,v是频率,c是光速(c =3.0 X017nm/s),九 i 是波长(nm), h 是普朗克常数=4.136 10 15 eV s然后以吸收系数a对

4、光子能量E作图,得到如下的吸收光谱图:Photon energy (eV)(2)半导体材料的能带结构满带 禁带 价带 空带 导带各个能级都被电子填满的能带;两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性,禁带的宽度称为由最外层价电子能级分裂后形成的能带(一般被占满)； 所有能级都没有电子填充的能带；未被电子占满的价带空带、带隙;导体：(导)价带电子禁带价带禁带满带绝缘体：无价带电子,禁带太宽半导体：价带充满电子,禁带较窄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hv

5、至少要等于材料的禁带宽度 Ego即hv>Eg根据半导体带间光跃迁的根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hv又有如下关系：22:h = A h - Eg4式中hv为光子能量；Eg为带隙宽度；A是常数.由此公式,可以用虫?2对光子能量hv作图,如下：Photon energy (eV)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,即纵轴出?2为0时的横轴值h,如下列图所示：Photon energy (eV)四、实验步骤1 .开机并自检2 .将制备的ZnO薄膜和空白样置光路中,在主菜单中选择“光谱测量

6、3 .在“光谱测量菜单中设测量模式：T扫描范围：370410nm记录范围：0.000%120%扫描速度：中采样间隔：0.1扫描次数：1显示模式：连续按“Start键.扫描.显示图谱后按“ F3存贮图谱并命名.按“ F4.4 .在主菜单中选择“数据处理,按“F2调用刚刚存贮的图谱,用“多点采集采集 370410nm内每隔2nm的透射率T数据即372、374、376、408、410nm,记录之. 五、数据处理-_ln1/Ti一,一、,i .一E.= h、 = hc /1根据公式d和Ei h hc/i计算a、h V和小92,用虫»2对光子能量hv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作图方法例如在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R