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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出光波长不等
2、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 xI 0exI tI 0ed(1)I 0 ：入射光强； I x：透过厚度 x 的光强；
3、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 tedT(2)I 0则ln(1/ T )ln e dd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)d2.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 (ciE× 17，i 是波长 (nm)，h 是普朗克常数 = 4.136 ×1015eV s。=3
4、.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)-mn(0.035ZnO0.0300.0250.0200.0150.0100.0050.0002.02.53.03.54.04.55.05.5Photon 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空带禁带导带价带禁带满带绝缘体：无价带电子，禁带太宽36
5、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 eV0.12 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：（22(h Eg )(4)h ）A式中 h为光子能量； 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-
6、m2nV(e2)h(a0.025ZnO0.0200.0150.0100.0050.0002.02.53.03.54.04.55.05.5Photon 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 (h)2 为 0 时的横轴值 h。如下图所示：)2-m2nVe(2)h(a0.0250.0200.0150.0100.0050.0002.02.53.03.54.04.55.05.5Photon 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
7、”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ln(1/ Ti )根据公式d和 Eihhc / i 计算 、h和(h)2，用 (h)2 对光子能量 hi作图（用 Origin 作图）。然后在吸收边处选择线性最好的几点
8、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：3在 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。