1、半導體材料吸收光譜測試分析一、實驗目的1.掌握半導體材料的能帶結構與特點、半導體材料禁帶寬度的測量原理與方法。2.掌握紫外可見分光光度計的構造、使用方法和光吸收定律。二、實驗儀器及材料紫外可見分光光度計及其消耗品如氘燈、鎢燈、繪圖打印機，玻璃基ZnO薄膜。三、實驗原理1.紫外可見分光光度計的構造、光吸收定律UV762雙光束紫外可見分光光度計外觀圖：(1)儀器構造：光源、單色器、吸收池、檢測器、顯示記錄系統。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、準直鏡、色散元件色散元件：棱鏡對不同波長的光折射率不同分出光波長不等距； 光柵衍射

2、和干涉分出光波長等距。c吸收池：玻璃能吸收UV光，僅適用于可見光區；石英不能吸收紫外光，適用于紫外和可見光區。 要求：匹配性（對光的吸收和反射應一致）d檢測器：將光信號轉變為電信號的裝置。如：光電池、光電管（紅敏和藍敏）、光電倍增管、二極管陣列檢測器。紫外可見分光光度計的工作流程如下：0.575光源 單色器 吸收池 檢測器 顯示雙光束紫外可見分光光度計則為：雙光束紫外可見分光光度計的光路圖如下：(2)光吸收定律透射光 It 單色光垂直入射到半導體表面時，進入到半導體內的光強遵照吸收定律： (1)I0：入射光強；Ix：透過厚度x的光強；It：透過膜薄的光強；：材料吸收系數，與材料、入射光波長等因

3、素有關。透射率T為： (2)則 即半導體薄膜對不同波長i單色光的吸收系數為： (3) 2.吸收光譜、半導體材料的能帶結構和半導體材料禁帶寬度的測量(1) 吸收光譜以不同波長i單色光入射半導體ZnO薄膜（膜厚d為593nm），測量透射率Ti，由式(3)計算吸收系數i；由 計算光子能量Ei，其中，是頻率，c是光速(c =3.0×1017nm/s)，i是波長(nm)，h是普朗克常數= 4.136×1015。然后以吸收系數對光子能量E作圖，得到如下的吸收光譜圖：(2) 半導體材料的能帶結構滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶；禁帶：兩個能帶之間的區域其寬度直接決定導電性，禁帶的寬度稱為

4、帶隙；價帶：由最外層價電子能級分裂后形成的能帶 (一般被占滿) ；E滿帶價帶空帶導帶 禁帶禁帶空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶； 導帶：未被電子占滿的價帶。導體：(導)價帶電子絕緣體：無價帶電子，禁帶太寬36 eV半導體：價帶充滿電子，禁帶較窄0.12 eV0.12 eV外界能量激勵滿帶電子激勵成為導帶電子(3) 半導體材料禁帶寬度的測量本征吸收：半導體吸收光子的能量使價帶中的電子激發到導帶，在價帶中留下空穴，產生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。產生本征吸收的條件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁帶寬度Eg。即h Eg 根據半導體帶間光躍遷的基本理論（見有關半導體物理書籍），

5、在半導體本征吸收帶內，吸收系數與光子能量h又有如下關系： (4)式中h為光子能量；Eg為帶隙寬度；A是常數。由此公式，可以用(h)2對光子能量h作圖，如下：然后在吸收邊處選擇線性最好的幾點做線形擬合，將線性區外推到橫軸上的截距就是禁帶寬度Eg，即縱軸(h)2為0時的橫軸值h。如下圖所示：四、實驗步驟1.開機并自檢2.將制備的ZnO薄膜和空白樣置光路中，在主菜單中選擇“光譜測量”3.在“光譜測量”菜單中設測量模式：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：1顯示模式：連續按“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“數據處理”，按“F2”調用剛剛存貯的圖譜，用“多點采集”采集370410nm內每隔2nm的透射率T數據（即372、374、376、408、410nm），記錄之。五、數據處理根據公式和 計算、h和(h)2，用(h)2對光子能量h作圖（用Origin作圖）。然后在吸收邊處選擇線性最好的幾點做線形擬合，將線性區外推到橫軸上的截距就是禁帶寬度Eg，即縱軸Y為0時的橫軸值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。本次從右到左，（本例選取第10，11，12三點。）2 在Tools菜單鍵中選用Linear Fit 鍵，彈出一個選擇框，在 Points 改為3，在Range 改為11，并在Span