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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、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：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
2、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：I x I 0e x I t I 0e d(1)I 0：入射光强；I
3、x：透过厚度 x 的光强；I t：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：I t e d T(2)I 0 法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绘图打印机玻璃基薄膜三实验原理紫外可见分光光度计的构造光吸收定律双光束紫外可见分光光度计外观图仪器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吸收池玻璃能吸收光仅适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配性对光的吸收和反射应一致检测器将光程如下光源单色器吸收池检测器显示双光束紫外可见分光光
4、度计则为双光束紫外可见分光光度计的光路图如下光吸收定律透射光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入射光强透过厚度的光强透过膜薄 则 ln(1/T)ln e d d 即半导体薄膜对不同波长 i 单色光的吸收系数为：ln(1/Ti)i (3)d 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 593nm），测量透射率 Ti，由式(3)计算吸收系数 i；由 E hhc/i 计算光子能量 i，其中，是频率，c 是光速(c i E 17，i 是波长(nm)，h 是普朗克常数=4.136 1
5、015 eV s。=3.0 10 nm/s)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：1)-m n(0.035 ZnO 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Photon energy(eV)(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)；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 E 空带
6、 禁带 导带 价带 禁带 满带 法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绘图打印机玻璃基薄膜三实验原理紫外可见分光光度计的构造光吸收定律双光束紫外可见分光光度计外观图仪器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吸收池玻璃能吸收光仅适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配性对光的吸收和反射应一致检测器将光程如下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光吸收定律透射光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
7、吸收定律入射光强透过厚度的光强透过膜薄 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 满带电子激励 成为导带电子 0.12 eV 0.12 eV 外界能量激励 (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 hEg 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：（2 2(h Eg)(4)h）A 式中 h 为光子能量；
8、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：)2-m 2n V(e 2)h (a 0.025 ZnO 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Photon energy(eV)法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绘图打印机玻璃基薄膜三实验原理紫外可见分光光度计的构造光吸收定律双光束紫外可见分光光度计外观图仪器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吸收池玻
9、璃能吸收光仅适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配性对光的吸收和反射应一致检测器将光程如下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光吸收定律透射光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入射光强透过厚度的光强透过膜薄 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：)2-m 2n V e(2)h(a 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4
10、.5 5.0 5.5 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”3.在“光谱测量”菜单中设 测量模式：T 扫描范围：370 410nm 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
11、 ln(1/Ti)根据公式 d i 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：法掌握紫外可
12、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绘图打印机玻璃基薄膜三实验原理紫外可见分光光度计的构造光吸收定律双光束紫外可见分光光度计外观图仪器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吸收池玻璃能吸收光仅适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配性对光的吸收和反射应一致检测器将光程如下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光吸收定律透射光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入射光强透过厚度的光强透过膜薄 3在
13、 Find Y 输入 0；点击 Find X 键即可得知横轴截距 Eg。所以 ZnO 的禁带宽度 Eg=4.23501eV。法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绘图打印机玻璃基薄膜三实验原理紫外可见分光光度计的构造光吸收定律双光束紫外可见分光光度计外观图仪器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吸收池玻璃能吸收光仅适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配性对光的吸收和反射应一致检测器将光程如下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光吸收定律透射光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入射光强透过厚度的光强透过膜薄