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半导体材料吸收光谱测试分析 实验目的 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掌握紫外可见分光光度计的构造、使用方法和光吸收定律实验紫外可见分光光度计绘图打印机实验原理 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，350~1000nm；氢灯或氘灯——紫外光源，200~360nm。 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： 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 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：x的光强；I：的光强；α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。 透射率T为： 则 半导体i单色光吸收系数 (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 i单色光半导体ZnO膜厚d为593nm，透射率Ti吸收系数αi 计算光子能量Ei，其中，是频率，c是光速c =3.0×1017nm/s)，i是波长(nm)，h是普朗克常数= 4.136×10－15。 然后以吸收系数α对光子能量E作图，得到如下吸收光谱图： (2) 半导体材料的能带结构 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 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（hν）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即hν ≥ 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hν又有如下关系： 式中hν为光子能量；Eg为带隙宽度；A是常数。 由此公式，可以用(αhν)对光子能量hν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(αhν)为0时的横轴值hν。如下图所示： 、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370～410nm内每隔2nm的透射率T数据（即372、374、376、…408、410nm），记录之。 、数据处理 根据公式和 计算α、hν和(αhν)，用(αhν)对光子能量hν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： 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1011，12三点。） 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： 在Find Y 输入 0；点击 Find X键即可得知横轴截距Eg 。