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 αi ；由 Ei h hc / i 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 eV s 。 然后以吸收系数α对光子能量 E 作图，得到如下的吸收光谱图：
5
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。
6
根据公式
i
ln(1 / Ti ) E h hc / i d 和 i 计算α、hν和(αhν)2，用(αhν)2 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） ： 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
导带
绝缘体：无价带电子，禁带太宽
3~6 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
0.1~2 eV
0.1~2 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（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：
2
(1)
I0：入射光强；Ix：透过厚度 x 的光强；It：透过膜
透射率 T 为：
T
(2)
则
ln(1 / T ) ln e d d
ln(1 / Ti ) d
即半导体薄膜对不同波长 i 单色光的吸收系数为：
i
(3)
(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：
0.575
光源 单色器 双光束紫外可见分光光度计则为：
吸收池
检测器
显示
1
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： x
I x I 0e
I t I 0 e d
It e d I0
0.035 0.030 0.025
ZnO
( nm-1)
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。 E 空带 导体：(导)价带电子 禁带 价带 禁带 满带
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：
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 370～410nm 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
2 （ h） A 2 (h E g )
(4)
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)2 对光子能量 hν作图，如下：
0.025
ZnO
( ah) 2 ( eV2nm-2)
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)
4
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)2 为 0 时的横轴值 hν。如下图所示：
0.025
( ah) 2 ( eV2nm-2)
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