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1、半导体光电器件实验指导书实验一 半导体光电探测材料的吸收系数和光学禁带宽度的计算 1实验目的1）通过对半导体材料透射光谱的测试，理解半导体材料对入射光子的吸收特性， 计算半导体材料的光吸收系数随波长的变化；2）理解如何通过调整材料的组分实现在特定波段对光子的探测，计算半导体材料 的光学禁带宽度。2实验内容1）测试半导体光电探测材料的透射光谱；2）根据测试数据计算材料的光吸收系数随入射波长的变化，并由此推算材料的光 学禁带宽度。3实验器材（设备、元器件）1）紫外可见光分光光度计一台；2）实验样品 3 个；3）空白基片 1 个。4基于透射光谱的光吸收系数及光学禁带宽度计算原理 当物体受到外来光波的
2、照射时，光子会和物体中的微粒发生相互作用。由于组成物 体的分子和分子间的结构不同，使入射光分成几个部分：一部分被物体吸收（吸收）， 一部分被物体反射（反射），还有一部分穿透物体而继续传播（透射）。透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明 体，若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。为了表示透明体透 过光的程度，通常用入射光通量与透过后的光通量之比T来表征物体的透光性质，T称 为光透射率。常用的分光光度计能精确测量材料的透射率，测试方法具有简单、操作方便、精度 高等突出优点，是研究半导体能带结构及其它性质的最基本、最普遍的光学方法之一。当一定波长的光
3、照射半导体材料时，电子吸收能量后会从低能级跃迁到能量较高的 能级。对于本征吸收，电子吸收足够能量后将从价带直接跃迁入导带。发生本征吸收的 条件是：光子的能量必须等于或大于材料的禁带宽度E,即gh v h v= E（1）0g而当光子的频率低于v，或波长大于本征吸收的长波限时，不可能发生本证吸收，半导 0体的光吸收系数迅速下降，这在透射光谱上表现为透射率的迅速增大。光波透过厚度为 d 的样品时，吸收系数同透射率的关系如式（2）：T = （1-R）2 e-od（ 2）即：3）o= lln(i-R2dT其中d为样品厚度，R是对应波长的反射率，T是对应波长的透射率。实验中，我们所选样品为 ZnO 基薄膜
4、材料，入射光垂直照射在样品表面，且样品 表面具有纳米级的平整度，在紫外和可见光波段的反射率很小，所以在估算禁带宽度时 忽略反射率的影响，则吸收系数可简单表示为：=丄ln丄4）dT因此，在已知薄膜厚度的情况下，可以通过不同波长的透射率求得样品的吸收系数。在求得材料的吸收系数情况下，可以通过公式（5）计算半导体材料的禁带宽度ma ho = A（hu Eg ）2式中，a为吸收系数，hv是光子能量；E为材料的禁带宽度；A是材料折射率、折合质 g量和真空中光速的函数；m是常数，对于直接跃迁来说，m=1；如果是间接跃迁，m=4。 ZnO 薄膜是一种直接带隙半导体，在本征吸收过程中产生电子的直接跃迁，因此
5、m 取 1，则式（ 5）可以表示为：a ho = A（ ho- Eg ）12（6）对于禁带宽度的计算，可根据ahv - hv的函数关系作图，将吸收边陡峭的线性部 分外推到（ahv） 2=0处，与x轴的交点即为相应的禁带宽度值。5实验步骤1）样品准备：将清洗干净的空白基片放在样品台的 1 号位（即参考位）；将掺杂浓度不同的ZnO基薄膜样品分别置于样品台的2号位、3号位和4号位。2）打开仪器电源；3）选择仪器的工作模式为波长扫描，并选择透射率测试；4）依次测试样品的透过率，保存数据；5）实验测量结束，关闭电源开关。6实验报告要求1）整理实验测试结果，观察半导体材料吸收带边的变化趋势。2）根据测试数
6、据，任选一个样品计算材料的吸收系数及光学禁带宽度。7思考题1）从吸收系数随波长的变化如何判断半导体材料的能带结构？2）通过什么技术途径可以实现材料的日盲紫外探测？实验二 半导体光电导探测器 I-V 特性及响应时间特性测试 1光电探测器的伏安特性和响应时间特性光电导探测器的伏安特性：由于光电导探测器其实质为光敏电阻，应符合欧姆定律， 对多数半导体，当电场强度超过 104 伏/厘米（强光时），不遵守欧姆定律。实验中光电 导探测器样品的电极和光电导体之间呈欧姆接触，通过测试其 I-V 特性，可得其 I-V 特 性曲线大致为一条直线。响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当
7、入射 辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射 前的值所需时间称为响应时间。光电导探测器响应较慢，上限频率较小。其上升时间t r 定义为从最小的输出值到峰值的 63的时间，下降时间 t 为从峰值下降到峰值的 37 的时间。上升时间和下降时间相加即为探测器的时间常数。2实验目的：1）了解光电导探测器的工作特性；2）掌握光电探测器 I-V 特性及其响应时间特性的测量方法；3）了解光电探测器的简单应用电路。3实验内容：1）光电导探测器的I-V特性测试；2）光电导探测器的响应时间特性测试。4实验器材1 ） X Y 记录仪一台；2）数字示波器一台；3）半导体光电探测器
8、一只；4）串联电阻一只；5）红外光源一台。5实验步骤（1）I-V 特性测试1 ）实验设备准备好，检查是否齐全。2）将探测器放置在待测支架上，如图所示连接电路。X-Y记录仪power图 1 探测器 I-V 特性测试示意图3）打开微机及 X-Y 记录仪，启动软件并选择常规方式。电压输出设置为三角波， 范围为-10v至+10v。4）断开开关k,测试无光I-V特性。5）打开开关k,测试在光照下的I-V特性。6）保存结果。（2）响应时间测试脉冲法测量光电导探测器的响应时间:因为 XY 记录仪的采样频率较低,无法满 足光电探测器的响应时间测试精度。因此，在探测器响应时间测试中，仅将X-Y记录 仪作为恒压源
9、，而探测器的上升时间和下降时间通过示波器显示并记录。在打开光源开 关时，在示波器上会有一个上升沿,可以算出上升时间；关闭光源开关时, 在示波器上有 一个下降沿,可以算出下降时间。1）将探测器和电阻串联在电路中，X-Y记录仪作为恒压源，以示波器测量探测器 两端的电压；2）打开仪器开关，恒压源提供恒定电压；3）打开光源开关，测试探测器的上升时间，记录并保存数据；4）待曲线稳定后，关闭光源开关，测试探测器的下降时间，记录并保存数据；5）测试结束，关闭电源。6实验报告要求1）根据测试结果，绘出光电导探测器样品的I-V特性曲线并计算2V电压下的光电 流值。2）根据探测器的响应时间曲线计算光电导探测器样品的时间常数。7.思考题1）实验中的光电导探测器有哪些工作特性？2）为什么光电导探测器响应时间较长？
