半導(dǎo)體光電器件實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、半導(dǎo)體光電器件實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體光電探測材料的吸收系數(shù)和光學(xué)禁帶寬度的計(jì)算 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）通過對半導(dǎo)體材料透射光譜的測試，理解半導(dǎo)體材料對入射光子的吸收特性， 計(jì)算半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)隨波長的變化；2）理解如何通過調(diào)整材料的組分實(shí)現(xiàn)在特定波段對光子的探測，計(jì)算半導(dǎo)體材料 的光學(xué)禁帶寬度。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）測試半導(dǎo)體光電探測材料的透射光譜；2）根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算材料的光吸收系數(shù)隨入射波長的變化，并由此推算材料的光 學(xué)禁帶寬度。3實(shí)驗(yàn)器材（設(shè)備、元器件）1）紫外 可見光分光光度計(jì)一臺；2）實(shí)驗(yàn)樣品 3 個；3）空白基片 1 個。4基于透射光譜的光吸收系數(shù)及光學(xué)禁帶寬度計(jì)算原理 當(dāng)物體受到外來光波

2、的照射時，光子會和物體中的微粒發(fā)生相互作用。由于組成物 體的分子和分子間的結(jié)構(gòu)不同，使入射光分成幾個部分：一部分被物體吸收（吸收） ， 一部分被物體反射（反射） ，還有一部分穿透物體而繼續(xù)傳播（透射） 。透射是入射光經(jīng)過折射穿過物體后的出射現(xiàn)象。被透射的物體為透明體或半透明 體，若透明體是無色的，除少數(shù)光被反射外，大多數(shù)光均透過物體。為了表示透明體透 過光的程度，通常用入射光通量與透過后的光通量之比 T 來表征物體的透光性質(zhì)， T 稱 為光透射率。常用的分光光度計(jì)能精確測量材料的透射率，測試方法具有簡單、操作方便、精度 高等突出優(yōu)點(diǎn)，是研究半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)及其它性質(zhì)的最基本、最普遍的光學(xué)方法之一

3、。當(dāng)一定波長的光照射半導(dǎo)體材料時， 電子吸收能量后會從低能級躍遷到能量較高的 能級。對于本征吸收，電子吸收足夠能量后將從價帶直接躍遷入導(dǎo)帶。發(fā)生本征吸收的2(1)條件是：光子的能量必須等于或大于材料的禁帶寬度Eg,即h v亠 hov=gE而當(dāng)光子的頻率低于“，或波長大于本征吸收的長波限時，不可能發(fā)生本證吸收，半導(dǎo) 體的光吸收系數(shù)迅速下降，這在透射光譜上表現(xiàn)為透射率的迅速增大。光波透過厚度為d的樣品時，吸收系數(shù)同透射率的關(guān)系如式（2）：(2)(3)T =(1 _R)2e：d即:2Jln皿d T其中d為樣品厚度，R是對應(yīng)波長的反射率，T是對應(yīng)波長的透射率。實(shí)驗(yàn)中，我們所選樣品為 ZnO基薄膜材料，

4、入射光垂直照射在樣品表面，且樣品 表面具有納米級的平整度，在紫外和可見光波段的反射率很小，所以在估算禁帶寬度時, 忽略反射率的影響，則吸收系數(shù) a可簡單表示為：In(4)因此，在已知薄膜厚度的情況下，可以通過不同波長的透射率求得樣品的吸收系數(shù)。在求得材料的吸收系數(shù)情況下，可以通過公式（5）計(jì)算半導(dǎo)體材料的禁帶寬度：m:h =A（h -Eg）2（5）式中，a為吸收系數(shù)，hv是光子能量；Eg為材料的禁帶寬度；A是材料折射率、折合質(zhì) 量和真空中光速的函數(shù)；m是常數(shù)，對于直接躍遷來說，1;如果是間接躍遷，m = 4。ZnO薄膜是一種直接帶隙半導(dǎo)體，在本征吸收過程中產(chǎn)生電子的直接躍遷，因此m取1,則式（

5、5）可以表示為：:h 二 A（h -Eg） 2（6）對于禁帶寬度的計(jì)算，可根據(jù)a hv hv的函數(shù)關(guān)系作圖，將吸收邊陡峭的線性 部 分外推到（a hv 2= 0處，與x軸的交點(diǎn)即為相應(yīng)的禁帶寬度值。5.實(shí)驗(yàn)步驟1）樣品準(zhǔn)備：將清洗干凈的空白基片放在樣品臺的1號位（即參考位）；將摻雜濃度不同的ZnO基薄膜樣品分別置于樣品臺的2號位、3號位和4號位。42）打開儀器電源；3）選擇儀器的工作模式為波長掃描，并選擇透射率測試；4）依次測試樣品的透過率，保存數(shù)據(jù)；5）實(shí)驗(yàn)測量結(jié)束，關(guān)閉電源開關(guān)。6實(shí)驗(yàn)報告要求1）整理實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，觀察半導(dǎo)體材料吸收帶邊的變化趨勢。2）根據(jù)測試數(shù)據(jù)，任選一個樣品計(jì)算材料的吸

6、收系數(shù)及光學(xué)禁帶寬度。7思考題1）從吸收系數(shù)隨波長的變化如何判斷半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)？2）通過什么技術(shù)途徑可以實(shí)現(xiàn)材料的日盲紫外探測？實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體光電導(dǎo)探測器 I-V 特性及響應(yīng)時間特性測試1 光電探測器的伏安特性和響應(yīng)時間特性光電導(dǎo)探測器的伏安特性： 由于光電導(dǎo)探測器其實(shí)質(zhì)為光敏電阻， 應(yīng)符合歐姆定律， 對多數(shù)半導(dǎo)體，當(dāng)電場強(qiáng)度超過 104 伏 /厘米（強(qiáng)光時），不遵守歐姆定律。實(shí)驗(yàn)中光電 導(dǎo)探測器樣品的電極和光電導(dǎo)體之間呈歐姆接觸，通過測試其 I-V 特性，可得其 I-V 特 性曲線大致為一條直線。響應(yīng)時間： 響應(yīng)時間是描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。即當(dāng)入射 輻射到光電探測

7、器后或入射輻射遮斷后， 光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射 前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。光電導(dǎo)探測器響應(yīng)較慢，上限頻率較小。其上升時間tr定義為從最小的輸出值到峰值的 63的時間，下降時間 tf 為從峰值下降到峰值的 37 的時間。上升時間和下降時間相加即為探測器的時間常數(shù)。2實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解光電導(dǎo)探測器的工作特性；2）掌握光電探測器 I-V 特性及其響應(yīng)時間特性的測量方法；3）了解光電探測器的簡單應(yīng)用電路。3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）光電導(dǎo)探測器的I-V特性測試；2）光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)時間特性測試。4. 實(shí)驗(yàn)器材1）X 丫記錄儀一臺；2）數(shù)字示波器一臺；3）半導(dǎo)體光電探測器一只；4）串聯(lián)電阻一只

8、；5）紅外光源一臺。5. 實(shí)驗(yàn)步驟（1） I-V特性測試1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)備好，檢查是否齊全。2）將探測器放置在待測支架上，如圖所示連接電路圖1探測器I-V特性測試示意圖3）打開微機(jī)及X-Y記錄儀，啟動軟件并選擇常規(guī)方式。電壓輸出設(shè)置為三角波, 范圍為-10v至+10v。4）斷開開關(guān)k，測試無光I-V特性。5）打開開關(guān)k，測試在光照下的I-V特性。6）保存結(jié)果。（2）響應(yīng)時間測試脈沖法測量光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)時間：因?yàn)閄丫記錄儀的采樣頻率較低，無法滿足光電探測器的響應(yīng)時間測試精度。因此，在探測器響應(yīng)時間測試中，僅將X 丫記錄 儀作為恒壓源，而探測器的上升時間和下降時間通過示波器顯示并記錄。在打開光源開 關(guān)時，在示波器上會有一個上升沿 ,可以算出上升時間；關(guān)閉光源開關(guān)時 , 在示波器上有 一個下降沿 ,可以算出下降時間。1）將探測器和電阻串聯(lián)在電路中， X-Y 記錄儀作為恒壓源，以示波器測量探測器 兩端的電壓；2）打開儀器開關(guān)，恒壓源提供恒定電壓；3）打開光源開關(guān)，測試探測器的上升時間，記錄并保存數(shù)據(jù)；4）待曲線穩(wěn)定后，關(guān)閉光源開關(guān)，測試探測器的下降時間，記錄并保存數(shù)據(jù)；5）測試