8、半导体材料吸收光谱测试分析
半导体材料的光谱分析
（3） 电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的
吸收光谱在紫外—可见光区，紫外-可见光谱或分子的电子光 谱；
高
化学键断裂
电子跃迁
射线
紫外
UV
频 率 va 能 量a
振动跃迁
低
转动跃迁 原子核自转 电子自转
红外
微波
无线 电波
射 频 区
IR
NMR
长λmax。
②不同浓度的同一种物
质，其吸收曲线形状相似λmax
不变。而对于不同物质，它们
的吸收曲线形状和λmax则不同。
吸收曲线的特点2
③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性 分析的依据之一。
④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有
差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作为物质定
c =λν =ν/σ（波动性） E = hν = h c /λ（微粒性）
c ：光速=2.998×1010cm·s；
λ：波长；ν：频率；σ：波数 ；E ：能量；
h ：普朗克常数＝6.624×10-34J·s
电磁辐射具有波动性和微粒性；
光学分析分类
光谱法——基于物质与辐射能作用时，分子或原 子发生能级跃迁而产生的发射、吸收的波长或强度 进行分析的方法。通常需要测定试样的光谱，由于 其光谱的产生是基于物质原子或分子的特定能级的 跃迁所产生的，因此根据其特征光谱的波长可进行 定性分析；同时，光谱的强度又与物质的含量有 关，因而可进行定量分析。
I0 入射光
It 透过光
吸光度A (Absorbance）
物质颜色和吸收光颜色的关系
绿
黄
青
半导体材料光谱
半导体材料的光谱研究涉及到材料对不同波长的光的吸收、发射和散射等过程。
这些光谱信息对于了解半导体材料的电子结构、能带结构、光学性质等具有重要意义。
以下是半导体材料光谱研究的一些关键方面：1. 吸收光谱：▪基本原理：半导体材料对不同能量的光有不同的吸收特性。
吸收光谱研究揭示了材料的能带结构，电子能级的变化，以及在光照条件下电子的激发状态。
▪实验方法：吸收光谱通常通过透射或反射测量，通过记录不同波长下的吸收强度来获得吸收光谱。
2. 发射光谱：▪基本原理：半导体材料在受到激发（如光激发或电激发）后可能发射光，产生发射光谱。
这反映了材料的能带结构和电子激发态的退激发过程。
▪实验方法：发射光谱通常通过记录材料发射的光谱来获得，可通过荧光光谱仪等设备进行测量。
3. 拉曼光谱：▪基本原理：拉曼光谱是通过测量材料散射光的频率变化来研究分子或晶体结构的一种技术。
在半导体中，可以用于研究声子振动和电子-声子相互作用。
▪实验方法：拉曼光谱实验通常使用激光光源，通过测量散射光的频率变化来获取拉曼光谱信息。
4. 光电子能谱：▪基本原理：光电子能谱研究材料中电子的能级分布和激发态。
当光子击中材料时，可以将束缚态电子激发到导带，产生光电子。
▪实验方法：光电子能谱实验使用光电子能谱仪，通过测量光电子的动能和强度来研究材料的电子结构。
5. 吸收光谱与激子态：▪基本原理：在半导体中，电子和空穴可能形成激子，如激子和束缚激子。
吸收光谱研究可以揭示这些激子态的形成和性质。
▪实验方法：通过调制吸收光谱，可以研究激子的能级和相互作用。
这些光谱研究为半导体材料的设计、制备和应用提供了关键的信息。
通过深入了解光谱特性，科学家和工程师可以更好地理解材料的性质，优化器件性能，以及开发新型半导体材料。
半导体激光器光学特性测量实验报告
半导体激光器光学特性测量实验学号：姓名：班级：日期：【摘要】激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。
本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。
【关键词】半导体激光器、偏振度、阈值、光谱特性一、实验背景激光是在有理论准备和实际需要的背景下应运而生的。
光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础之一。
受激辐射的概念是爱因斯坦于1916年在推导普朗克的黑体辐射公式时提出来的, 从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的理论基础。
直到1960年激光才被首次成功制造（红宝石激光器）。
半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功发明，在1970年实现室温下连续输出。
半导体激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 等多种工艺。
由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。
半导体激光器已经成功地用于光通讯和光学唱片系统，还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气检测和同位素分离等；同时半导体激光器成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。
半导体激光器与调频器、放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯和光计算机的发展。
半导体激光器主要发展方向有两类，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。
本实验旨在使学生掌握半导体激光器的基本原理和光学特性，利用光功率探测仪和CCD光学多道分析器，测量可见光半导体激光器输出特性、不同方向的发散角、偏振度，以及光谱特性，并熟悉光路的耦合调节及CCD光学多道分析器等现代光学分析仪器的使用，同时进一步了解半导体激光器在光电子领域的广泛应用。
半导体器件中的深度缺陷检测和测量
半导体器件中的深度缺陷检测和测量半导体器件是一种重要的电子元器件，广泛应用于现代电子技术中。
半导体器件的制造需要考虑到许多参数，其中最重要的是电子能级。
电子能级对半导体器件的性能和特性具有很大影响，如果存在深度缺陷，则会导致半导体器件的性能下降或完全失效。
因此，深度缺陷检测和测量是半导体器件制造中的一项关键技术。
深度缺陷指的是在半导体材料中存在的能级深的空穴或电子态。
它们的存在会影响半导体器件的性能和可靠性。
因此，深度缺陷的检测和测量是半导体器件的关键过程。
目前，许多成熟的深度缺陷检测和测量技术已广泛应用于半导体器件制造中。
首先，注入电荷法是一种常用的深度缺陷检测方法。
该方法利用瞬态电流的反应来测量深度缺陷。
它需要在测试中施加电荷，并测量在电荷注入期间电流的变化。
根据这些数据，可以计算出存在于被测材料中的缺陷浓度和深度分布。
此外，激光光谱学也是一种常用的深度缺陷检测方法。
该方法是通过激光光谱法来测量半导体材料中的光吸收谱。
在这种方法中，激光产生的光会与半导体材料相互作用，激发其中的电子和空穴等载流子。
半导体材料吸收了激光光子后，它的运动状态会发生变化，光吸收谱也会随之变化。
通过分析这些变化，可以得出半导体材料中深度缺陷的位置和浓度等信息。
此外，Ti:sapphire激光微打孔技术也是一种常用的深度缺陷检测方法。
这种技术利用激光微打孔技术来破坏半导体材料的结构，然后通过分析微打孔后电流和电压的变化来检测深度缺陷。
这种方法能够检测到非常细微的缺陷，因此非常适合用于半导体器件的制造。
总之，深度缺陷检测和测量是半导体器件制造中非常关键的过程。
目前，众多的深度缺陷检测和测量技术已经成熟应用于半导体器件的制造中，并得到了广泛应用。
对于半导体器件制造过程的控制和质量保证来说，这些技术都具有非常重要的意义。
第八讲 拉曼光谱分析
39
晶粒度影响
利 用 晶粒度 对 LRS散射 效应导致的位移效应，
还可以研究晶粒度的信
息
40
晶粒度的影响
8nm 152 85nm 147
41
新型碳物种的研究
有机碳 无机碳：无定型，石墨，石墨烯，类金刚石，金刚石， C60，碳纳米管，无机碳化物等
42
新型碳物种研究
43
44
45
46
8
拉曼活性
9
10
拉曼光谱参量 1. 峰位: 是电子能级基态的振动态性质的一种反映。以入射光和散射
光波数差表示。峰位的移动与激发光的频率无关.
2.强度:与浓度成正比. 3.退偏比(depolarization ratio): r = I‖ / I提供分子对称性的信息，并有助于谱线的指认. 共振拉曼散射
压力的影响
47
量子点粒度影响
48
金刚石金属化研究
金刚石特性：硬，化学惰性 金属化目的： 化学反应形成界面层，增强化学结合
物理扩散形成界面层，增强物理结合力
49
100
100 Cr C
depth profile lines Cr as Cr2C C as diamond C as Cr2C
子的极性键，如C=O，C-H，N-H和O-H等，在红外光谱上有反映。
相反，分子对称骨架振动在红外光谱上几乎看不到。
可见，拉曼光谱和红外光谱是相互补充的。
12
LRS与IR比较
对任何分子可以粗略地用下面的原则来判断其拉曼或红 外活性： 相互排斥规则：凡具有对称中心的分子，若其分子振动 对拉曼是活性的，则其红外就是非活性的。反之，若对 红外是活性的，则对拉曼就是非活性的。 相互允许规则：凡是没有对称中心的分子，若其分子振 动对拉曼是活性的，则红外也是活性的。
半导体吸收光谱
半导体吸收光谱
半导体吸收光谱是研究半导体材料基本性质和应用的重要手段
之一。
在光谱学中，吸收光谱是研究物质对电磁波能量吸收的方法。
半导体吸收光谱研究的是半导体材料在光学波段内对电磁波的吸收
特性，可以通过该特性来研究半导体材料的能带结构、能级分布等基本性质。
半导体吸收光谱可以分为宏观吸收光谱和微观吸收光谱两种类型。
宏观吸收光谱是指在宏观尺度下，对半导体材料整体进行的吸收光谱测量。
微观吸收光谱则是指在微观尺度下，对半导体材料内部结构进行的吸收光谱测量。
微观吸收光谱可以进一步分为局域吸收光谱和全固态吸收光谱两种类型。
半导体吸收光谱的实验测量可以通过紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪等工具进行。
半导体吸收光谱的研究在半导体材料的物理性质、光电性能、光伏应用等领域都有着重要的应用。
- 1 -。
材料的光学性能测试
材料科学实验讲义(一级实验指导书)东华大学材料科学与工程中心实验室汇编2009年7月一、实验目的和要求1、掌握透过率、全反射和漫反射测定的基本原理；2、掌握透过率、全反射和漫反射测定的操作技能；3、测定聚合物膜和无机非金属材料的薄膜的透过率和全反射率，学会测定无机材料粉末的漫反射光谱。
4、针对不同的材料形式(如薄膜，粉末等)能判断该如何选择不同的测试模式。
二、实验原理光学性能是材料的重要也是最常用的性能之一，薄膜、陶瓷、玻璃、粉末、聚合物、人工晶体甚至胶体的性能评价都离不开光学性能的表征。
本实验中所涉及到材料的光学性能主要是指透过率、反射率尤其是漫反射模式测定的反射率等光学性能的测定，涉及的材料包括聚合物、粉末和玻璃等。
在通常所用的分光光度法中，常常将待测定的物质溶解在溶剂中，通过比色来定性或定量物质的含量或浓度等。
一些无机粉末或者聚合物本身并不溶于常见的溶剂中，将这些不溶解的物质分散在液体介质中得到的是消光光谱而不是吸收光谱，测定的是消光(Extinction)而不仅仅是吸收(Absorption)。
另外，对薄膜材料来说，能进行原位测定是重要的，因为在溶解过程中往往改变了材料的状态，所测定的也不再是实际应用中所要知道的结果。
薄膜、粉末等是实际应用中常见的材料形式，这些材料的光学性能的测定对材料提出了更高的要求。
目前中高档的紫外-可见分光光度计均可选配积分球附件来测定物质的漫反射光谱(UV-vis diffuse reflenctance spectrum，UV-vis DRS)，UV-vis DRS特别适用粉末样品的测定。
聚合物、聚合物与无机物的杂化材料、多种无机化合物半导体均可用UV-vis DRS进行测定。
带积分球的分光光度计还可测定玻璃、有机玻璃、塑料制品的透过率和反射率等。
下面就有机物、无机物和化合物的紫外－可见光谱的原理作详细的介绍：1、有机物的紫外—可见吸收光谱：分子的紫外—可见吸收光谱是基于物质分子吸收紫外辐射或可见光，其外层电子跃迁而成，又称分子的电子跃迁光谱。
材料的光吸收和光发射
第二篇：材料的光吸收和光发射早在4000年前的古代中国青铜器时代，人们就已经知道通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分，对材料的光学性质有了初步的认识。
而在公元前四世纪周朝墨子的著作中就有“光至，景亡；若在，尽古息”。
也就是说，当光线透过物体时，物体的影子就会消亡；若物体的影子存在，则光线就被物体终止。
实际上这里描述了物体对光的透射、吸收和反射。
十九世纪末，二十世纪初，通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折：1）X 光的发现是材料科学研究中革命性的变革；2）天然放射性的发现开辟了原子核物理和原子能的时代；3）黑体辐射的发现奠定了量子理论的基础；4）激光器的发明从根本上改变了人们对光性质的认识；5）到了上世纪八十年代后，纳米材料所显示出来的特殊的光学性质，表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显著变化。
这种量子尺寸效应形成了材料光学特性又一新的重大科学问题。
光通过材料后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。
而对材料施加外界作用，如加电磁场等激发，有时会产生发光现象。
这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。
光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。
光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。
由此可见，研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。
本篇首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程等。
§1材料光学常数间的基本关系在各种波长的光波中，能为人眼所感受的叫可见光的波长范围是：λ= 400—760 nm的窄小范围。
对应的频率范围是：ν =7.5 ~4.3 ⨯1014 Hz。
在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
图1是可见光不同的波长所对应的不同颜色。
测带隙实验方法
测带隙实验方法一、吸收光谱法吸收光谱法是通过测量物质对不同波长光的吸收程度来推算其带隙能量的方法。
物质对光的吸收程度与光的波长和物质的带隙能量有关。
通过测量物质在不同波长下的吸光度，可以反推出物质的带隙能量。
二、荧光光谱法荧光光谱法是通过测量物质在特定波长光的激发下发射的荧光光谱，推算物质的带隙能量的方法。
物质的荧光光谱与激发光的波长和物质的带隙能量有关。
通过测量荧光光谱的峰值和半峰宽，可以反推出物质的带隙能量。
三、霍尔效应法霍尔效应法是通过测量半导体材料的霍尔系数，推算其带隙能量的方法。
当电流通过半导体材料时，会产生一个横向的电场，该电场与电流方向垂直，称为霍尔电场。
霍尔电场的大小与半导体的载流子类型和浓度有关，而载流子类型和浓度又与半导体的带隙能量有关。
因此，通过测量霍尔系数，可以反推出半导体的带隙能量。
四、热电效应法热电效应法是通过测量热电材料的热电系数，推算其带隙能量的方法。
热电材料在温度梯度的作用下会产生热电电压，该电压的大小与材料的能带结构有关，而能带结构又与带隙能量有关。
因此，通过测量热电系数，可以反推出材料的带隙能量。
五、反射光谱法反射光谱法是通过测量物质对不同波长光的反射程度来推算其带隙能量的方法。
物质对光的反射程度与光的波长和物质的能带结构有关。
通过测量物质在不同波长下的反射率，可以反推出物质的带隙能量。
六、传输光谱法传输光谱法是通过测量物质在特定波长光的透射下，透过物质的光谱透射比或衰减程度，推算物质的带隙能量的方法。
透射比或衰减程度与光的波长和物质的能带结构有关。
通过测量透射比或衰减程度，可以反推出物质的带隙能量。
七、量子阱法量子阱法是通过测量量子阱结构中电子的能级分裂，推算其带隙能量的方法。
在量子阱结构中，由于受到量子限制效应的影响，电子的能级会发生分裂。
通过测量分裂能级的间隔，可以反推出量子阱的带隙能量。
八、Mott-Wiedemann法Mott-Wiedemann法是通过测量金属氧化物半导体材料的电子传导性质，推算其带隙能量的方法。
半导体的光学常数和光吸收
精选课件
2
⑶反射系数R：反射系数R是界面反射能流密度
和入射能流密度之比，若以 0 和 分别代表入
射波和反射波电矢量振幅，则有：
R02 /2
⑷透射系数T：透射系数T为透射能流密度和入
射能流密度之比，由于能量守恒，在界面上可
以得到：
T=1-R
当光透过厚度为d，吸收系数为的介质时有：
T入 透射 射光 光强 强 (1R度 度 )2ed
精选课件
3
• 二、半导体的光吸收
光在导电介质中传播时具有衰减现象，即产 生光的吸收，半导体材料通常能强烈的吸收光能， 具有105cm-1的吸收系数。对于半导体材料，自由 电子和束缚电子的吸收都很重要。
价带电子吸收足够的能量从价带跃迁入导带， 是半导体研究中最重要的吸收过程。与原子吸收 的分立谱线不同，半导体材料的能带是连续分布 的，光吸收表现为连续的吸收带。
杂质吸收的最低的光子能量hν0等于杂质上电子或空 穴的电离能Ei (见下图中a和b的跃迁)；因此，杂质吸
收光谱的长波吸收限ν0由杂质电离能Ei＝hν0决定。
一般情况下，电子向导带底以上的较高能级跃迁，
或空穴向价带顶以下的较低能级跃迁的概率都比较小，
因此，杂质吸收光谱主要集中在吸收限Ei附近。由于
Ei小于禁带宽度Eg，杂质吸收一般在本征吸收限以外
精选课件
11
半导体中的激子能 级非常密集，激子吸收 线与本征吸收的长波限 差别不大，常常要在低 温下用极高分辩率的测 试仪器才能观察到。对 Ge和Si等半导体，因为 能带结构复杂，并且有 杂质吸收和晶格缺陷吸 收的干扰，激子吸收更 不容易被观察到。因此， 必须使用纯度较高、晶 格缺陷很少的样品才能 观察到。
格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。
半导体材料的紫外-可见漫反射光谱测定
半导体材料的紫外-可见漫反射光谱测定一、实验目的：1、配合半导体材料测试分析的教学，进一步理解紫外/可见分光光度计的基本原理、基本构造、特点和应用范围，掌握仪器的常用操作方法；2、掌握半导体材料的光学特性，特别是在紫外光区和可见光区的光学特性的检测方法，了解紫外-可见漫反射原理及积分球原理。
二、实验原理紫外-可见漫反射光谱与紫外-可见吸收光谱相比，所测样品的局限性要小很多。
后者符合朗伯-比尔定律，溶液必须是稀溶液才能测量，否则将破坏吸光度与浓度之间的线性关系。
而前者，紫外-可见漫反射光谱可以测浑浊溶液、悬浊溶液、固体及固体粉末等，试样产生的漫反射满足Kublka-Munk方程式：(1-R∞)2/2R∞其中，K为吸收系数，S为散射系数，R =K/S∞为无限厚样品反射系数R的极限值，其数值为一个常数。
积分球的示意图漫反射光是指从光源发出的光进入样品内部，经过多次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光。
这些光在积分球内经过多次漫反射后到达检测器。
漫反射光是分析与样品内部分子发生作用以后的光，携带有丰富的样品结构和组织信息。
与漫透射光相比，虽然透射光中也负载有样品的结构和组织信息，但是透射光的强度受样品的厚度及透射过程光路的不规则性影响，因此，漫反射测量在提取样品组成和结构信息方面更为直接可靠。
积分球是漫反射测量中的常用附件之一，其内表面的漫反射物质的反射系数高达98%，使得光在积分球内部的损失接近零。
由于信号光从散射层面发出后，经过了积分球的空间积分，所以可以克服漫反射测量中随机因素的影响，提高数据稳定性和重复性。
紫外-可见漫反射吸收曲线作为一种重要的手段，可以很好的表征半导体材料的能级结构及光吸收性能。
对于半导体材料而言，其带隙可以用下面的公式近似计算：E=h*C/λ其中：E 为禁带能h 为普朗克常数 = 6.626×10-34 C 为光速=3×10 J ●s8 λ为截止波长，待测m/s三、实验仪器和样品1. 岛津 UV-3101紫外分光光度计；2. 半导体测试样品：BiVO 4粉末，Bi 4V 2O 11粉末，Bi 2MoO 6粉末，TiO 2粉末（商用P25）。
光谱测试系统(透射、反射、吸收、荧光、PL、拉曼、紫外可见红外)
件
应用范围
□ 测试平面光学元件（如棱镜、滤光片、光栅、平行平板、镀膜等）、球面光学元件（凹面镜、凸面镜等）和各种材料（溶液、 光
玻璃、硅、布料、汽车贴膜、眼镜等）的吸收、透射/反射光谱。
电 探
主要规格及特色
测
□ 光谱范围： 380~1000nm/600~1200nm（最低 200nm，最高 3000nm，可选）
仪
器
应用范围
□通用的 PL 光谱分析，III-V 族等半导体材料的 PL 光谱分析，荧光光谱测试；
□针对 LD 激光二极管、LED 发光二极管、Epi-Wafer 外延片、太阳能电池等的扫描光谱成像检测；
光
□另外还可以测试薄膜厚度（可选功能）；
源
主要特色
和 激
□高性能，高性价比
光
□高速自动系统（特别适合大规模生产使用）
光
七、 LE-SP-Raman 拉曼光谱测量系统 Raman Measurement System
谱 仪
Ramboss 显微拉曼和 PL 谱扫描成像测试系统
器
应用范围
Micro Raman&PL Mapping System
□材料科学、半导体材料等
光
□纳米技术
源
□化学、医药、生物医学
和 激
□碳工业，如碳纳米管的表征和类金刚石薄膜的品质控制
□ 光通量范围：1–4000lm；
□ 准确度：±0.002x,y(@2.856k);
□ 重复性：±0.005x,y;
光
□ CCT 重复性：±20k(@2.856k)
学
元
二 、LE-SP-ART 吸收、反射/透射光谱测量系统 Absorption,Reflection&Transmission System
半导体光电子学半导体中的光吸收和光
图7、1-8与图7、1-9就是间接跃迁半导体Ge得基本 吸收谱。由图7、1-9瞧出,在k空间点与在高得光子能 量作用下,仍可产生允许得直接跃迁,并得到其值不小得 吸收系数。
7、2 半导体中得其它光吸收
在§7、1中所讨论得本征吸收就是最重要得、 基本得吸收。
在半导体中还存在许多其它吸收机构。主要得 吸收:
d h 4.5104 fif h Eg 3 2
(7、1-12)
f’if就是小于1得数,为作粗略估计, f’if=1,2mr=m0,h=1eV, h-Eg=0、 01eV,可得’d=45cm-1,这与容许得直接带隙迁跃相比差103倍。
由式(7、1-9)与式(7、 1-12)所得到得吸收系 数得明显差别似乎可以 用来从实验上来确定上 述这两种跃迁,但实际 上由于激子吸收对吸收 曲线得影响,使得这种 比较难以凑效。
一般就是很小得,但声子得发射与
吸收都将影响吸收曲线在吸收边附
近得形状,或使吸收曲线得长波限
发生漂移。为了区分声子得发射与
吸收对吸收系数得贡献,而把间接
跃迁吸收系数i表示为
i e a
(7、1-14)
式中e与a分别为发射声子与吸收
声子时得吸收系数,并且有
(7、1-13)
e 0， h Eg Es (7、1-15) a 0， h Eg Es (7、1-16)
(1、2-26)
时,则括号中第二个指数变为1,这时括号中就有非零值。这说明,只
有当半导体中得电子在辐射场作用下满足动量守恒(k选择定则)所产
生得跃迁才有最大得跃迁几率。
由式(1、2-25)与式(1、
2-26)可以瞧出,当满足
动量守恒时产生允许得
直接带隙跃迁,这时价带
能量得最大值所对应得
半导体物理--第八章 半导体的光电性质及光电效应
定态光电导与光强的关系，存在两种情况：
n＝1， s I s I n＝0.5， s I
（3）杂质吸收
杂质能级上的电子(或空穴)吸收光子跃迁到导带 (或价带)能级中，称为杂质吸收。 所以吸收的长波限为： h c ＝E i
0
（4）晶格吸收 光子能量直接转换为晶格振动能。
第八章 半导体的光电性质及光电效应
• 8.1 半导体的光学常数 • 8.2 半导体的光吸收 • 8.3 半导体的光电导
k k
E＝E －E h
跃迁前后动量改变为：
hk＝hk hq k k q
二. 其他吸收过程 （1）激子吸收 电子和空穴互相束缚形成 一个新的电中性系统。 特点： * h E g * 激子是电中性的。 * 激子能在晶体中运动。 * 激子消失形式：分离；复合
（2）自由载流子吸收 电子在导带中不同能级间的跃迁，或空穴 在价带中不同能级间的跃迁。
hk＋光子动量 hq＝hk
通常， h h a 光子的动量比 hq 小得多，所以
E h＝E hk hq＝hk
（1）直接跃迁
一个电子只吸收 一个光子，不与 晶格交换能量。
跃迁前后能量改变为：
E＝E －E h
跃迁前后动量没有改变：
hk hk
（2）间接跃迁
跃迁前后能量改变为：
（2）复合中心和多数载流子陷阱的综合作用 对光电导的影响。 （a）如果同时存在多数载流子陷阱，陷阱效应对 半导体光电导的弛豫时间有决定性的影响，延长 了光电导的上升和下降的弛豫时间，并且可使两 者很不相同。
吸收光谱计算带隙
吸收光谱计算带隙
吸收光谱是用于计算半导体材料带隙的一种常用方法。
其基本原理是通过光谱吸收峰位置和强度的变化来确定半导体材料的带隙大小。
计算步骤如下：
1. 通过紫外-可见光谱仪测量样品的光吸收谱。
这种谱在可见光和紫外光区域内，大部分是由电子跃迁引起的。
2. 找到吸收谱中最强的峰，也就是所谓的“吸收边缘”，其波长为λ1。
3. 根据半导体材料能带结构的理论，带隙Eg等于光子能量hν（h是普朗克常数，ν是光子频率）与光子波长λ之间的关系，即：
Eg = hc/λ- α（hν- E0）
其中，c是光速，α是一个常数，E0是半导体的本征能量。
4. 将吸收边缘的波长λ1带入上述公式计算出带隙值Eg。
需要注意的是，实际计算中还需考虑到半导体材料的表面态、激子效应和温度等因素的影响，从而得到更加准确的带隙值。
光谱分析-光吸收
光谱分析
电磁辐射与物质相互作用引起光的吸收、反射和散 射，通过研究这些现象的规律从而进行物质分析，称为 光谱分析。
电子 光子
紫外、可见
裂片
红外
光子
光吸收谱 弹性散射
其关系为：
2k
c
4k
/ 0
吸收系数与频率相关, 随频率的变化关系称为吸收谱
光在吸收媒质中传播的经典描述
光波在吸收媒质中传播的理论基础是麦克
斯韦方程。如只涉及电中性媒质，对于电场强
度矢量E有下面的方程：
2E
0
E t
0 0
2E t 2
0
(4.1)
ε0：μ0自由空间的介电常数和磁导率，ε，μ：媒质的相对介电 常数和磁导率。
C1[(r 1) A i A ], C2[(r 1) / A i / A ]
式中:
A
2[(
2 r
2 i
)1/ 2
r
]1/ 2
(
2 r
2 i
)1/ 2
C1
[(r
1)2
2 i
]1
C2
2i
/[( r
1)2
2 i
](
2 r
2 i
)
系数α和β是光子能量的函数，它的符号和大小 对不同光谱区的调制反射谱的分析结果有一定影响， 而△εr和△εi的线形会因调制参数的不同而具有不同 的形式。它仅在电子能带结构的临界点区域才有较大 的响应，而具体形式与临界点的类型及布里渊区中的 位置有关。
图4-3 反射光谱附件 (b)可变角反射附件
有机半导体薄膜中的吸收光谱分析
有机半导体薄膜中的吸收光谱分析有机半导体材料可以用于构建各种电子器件和光电器件，尤其是有机薄膜太阳能电池、有机发光二极管（OLED）等。
吸收光谱是研究有机半导体材料的重要手段之一，通过吸收光谱可以了解材料的电子结构、分子结构以及能级分布等信息。
本文将介绍有机半导体薄膜中的吸收光谱分析方法和应用。
吸收光谱的基本原理吸收光谱是测量光在物质中被吸收的强度与波长的关系图形，也称吸收谱。
物质吸收光的强度与波长有关，吸收谱可以反映物质的分子结构、电子结构和能级结构等信息。
吸收光谱是一种无损、非接触的分析手段，被广泛应用于材料表征和分析。
有机半导体材料具有良好的电子输运性质和光学性质，可以应用于构建各种电子器件和光电器件。
有机薄膜太阳能电池、有机发光二极管等需要了解材料的光学性质，在此基础上进行材料合成、器件结构设计等方面的研究和开发。
吸收光谱是了解有机半导体材料光学性质的重要手段之一。
有机半导体材料的吸收光谱通常在紫外-可见光（UV-Vis）范围内进行测量。
在这个范围内，有机半导体材料的吸收光谱会表现为一系列的吸收峰，每个峰对应着材料分子的某种特定电子跃迁。
吸收峰的位置和强度可以反映分子的电子能级结构、分子内键和电子云分布等信息。
有机半导体材料的吸收光谱是由近红外到紫外区域的多个吸收峰组成的。
这些吸收峰的形状、位置和强度等参数不仅与有机分子的结构有关，也受到有机半导体薄膜的形态和晶体结构的影响。
因此，在对有机半导体材料进行吸收光谱研究时，需要考虑到材料的形态、表面偏析和晶体结构等方面的影响。
吸收光谱分析方法和应用最常用的吸收光谱分析方法是紫外-可见光吸收光谱。
通常使用紫外-可见光分光光度计进行测量，材料样品需制备成薄膜形式，并在晶体生长条件下进行热处理。
在进行吸收光谱测试之前，样品需在470 nm左右的光谱范围内照射一个小时，以去除材料的缺陷态。
测试时应尽量避免反光和污染对测量的影响。
有机半导体材料的吸收光谱在器件结构设计和性能优化方面有重要应用。
吸收光谱测量基本原理
吸收光谱简介纯白光为一连续的从红色到紫色的光谱，但当白光穿过一个有色宝石，一定颜色或波长可被宝石所吸收，这导致该白光光谱中有一处或几处间断，这些间断以暗线或暗带形式出现。
许多宝石显示出在可见光谱中吸收带或线的特征样式，其完整的样式被称为"吸收光谱"。
吸收光谱处于基态和低激发态的原子或分子吸收具有连续分布的某些波长的光而跃迁到各激发态，形成了按波长排列的暗线或暗带组成的光谱。
吸收光谱是温度很高的光源发出来的白光，通过温度较低的蒸汽或气体后产生的，如让高温光源发出的白光，通过温度较低的钠的蒸汽就能生成钠的吸收光谱。
这个光谱背景是明亮的连续光谱。
而在钠的标识谱线的位置上出现了暗线。
通过大量实验观察总结出一条规律，即每一种元素的吸收光谱里暗线的位置跟他们明线光谱的位置是互相重合的。
也就是每种元素所发射的光的频率跟它所吸收的光频率是相同的。
太阳光谱是一种吸收光谱，是因为太阳发出的光穿过温度比太阳本身低得多的太阳大气层，而在这大气层里存在着从太阳里蒸发出来的许多元素的气体，太阳光穿过它们的时候跟这些元素的标识谱线相同的光都被这些气体吸收掉了。
因此我们看到的太阳光谱是在连续光谱的背景上分布着许多条暗线。
这些暗线是德国物理学家夫琅和费首先发现的称为夫琅和费线。
吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。
例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线（见彩图8．分光镜的分辨本领不够高时，只能看见一条暗线）．这就是钠原子的吸收光谱．值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应．这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光．因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少光谱分析光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．这种方法叫做光谱分析．做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱．这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．某种元素在物质中的含量达10-10克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来．光谱分析在科学技术中有广泛的应用．例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时，就要用到光谱分析．在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素．例如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的．光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用．十九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线（参看彩图9，其中只有一些主要暗线）．最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱．仔细分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素．吸收光谱分类原子吸收光谱技术参数波长范围: 189－900nm主要特点1. 狭缝:狭缝的宽度自动选择，狭缝的高度自动选择。
半导体材料光学带隙的计算
半导体材料光学带隙的计算计算半导体材料的光学带隙有多种方法，下面将介绍几种常用的方法：1.线性光学吸收谱法（LOA）线性光学吸收谱法是通过测量半导体材料在紫外-可见光范围内的吸收光谱来计算光学带隙。
这种方法基于光与材料中电子的相互作用，根据材料吸收光的能量与光学带隙之间的关系来计算带隙。
这种方法相对简单，可以得到相对准确的结果，但只适用于直接带隙材料。
2.激发态光吸收法（ESA）激发态光吸收法是通过测量材料在光激发下的光吸收谱来计算光学带隙。
这种方法适用于间接带隙材料，它考虑了光激发引起的电子能级变化。
通常，材料在低温下通过光激发形成激发态，然后测量其吸收光谱来计算带隙。
这种方法比较复杂，需要进行光谱拟合和数据处理，但可以得到更准确的结果。
3.电子能谱方法电子能谱方法是通过计算材料中电子的能量态密度来计算光学带隙。
这种方法通常使用基于密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）的第一性原理计算方法。
在计算中，需要考虑电子间相互作用、自旋-轨道耦合等因素。
由于计算的复杂性和计算结果的依赖于近似方法，这种方法通常用于研究特殊材料的带隙特性。
4.傅里叶变换红外光谱法（FTIR）傅里叶变换红外光谱法是一种通过测量半导体材料在红外光谱范围内的光吸收谱来计算光学带隙的方法。
这种方法适用于间接带隙材料，可以考虑光与材料中声子的相互作用，更准确地计算带隙。
总结来说，计算半导体材料的光学带隙需要根据具体材料的特性选择适合的方法。
实验方法包括线性光学吸收谱法和激发态光吸收法，理论方法包括电子能谱方法和傅里叶变换红外光谱法。
各种方法都有其适用的范围和计算复杂度，需要根据研究目的和材料特点选择合适的方法进行计算。
拉曼应用案例 半导体
拉曼应用案例半导体拉曼应用案例：半导体1. 半导体材料的拉曼光谱分析拉曼光谱是一种可以用于表征材料结构和化学组成的非破坏性技术。
在半导体领域，通过拉曼光谱分析可以研究半导体材料的晶格结构、杂质和缺陷等信息。
例如，可以通过拉曼光谱分析来确定半导体材料的晶格常数、应力分布以及材料中的杂质浓度等。
2. 半导体纳米颗粒的表征拉曼光谱也可以用于表征半导体纳米颗粒的结构和性质。
纳米颗粒的尺寸和形状对其光学和电学性质有着重要影响，而拉曼光谱可以提供关于纳米颗粒的尺寸、形态以及晶格缺陷等信息。
通过对纳米颗粒的拉曼光谱分析，可以进一步理解纳米颗粒的生长机制和光学性质。
3. 拉曼光谱在半导体材料质量控制中的应用半导体材料的质量对器件性能有着重要影响，因此需要进行严格的质量控制。
拉曼光谱可以作为一种非破坏性的检测手段，用于评估半导体材料的质量。
通过对材料的拉曼光谱进行分析，可以检测出杂质、缺陷和应力等问题，并及时采取措施进行修复或调整。
4. 拉曼光谱在半导体器件制造中的应用在半导体器件的制造过程中，需要对材料进行表征和监测。
拉曼光谱可以用于对半导体材料的表面和界面进行分析，从而了解器件的结构和性能。
例如，在制造过程中，可以利用拉曼光谱检测氧化层的厚度和性质，以确保器件的稳定性和可靠性。
5. 拉曼光谱在半导体材料的应力分析中的应用半导体材料的应力分布对器件的性能和可靠性有着重要影响。
拉曼光谱可以用于测量半导体材料的应力分布。
通过对材料的拉曼光谱进行分析，可以计算出材料的应力大小和分布情况。
这对于优化器件设计和改善器件性能具有重要意义。
6. 拉曼光谱在半导体材料的结构优化中的应用半导体材料的结构优化是提高器件性能的关键。
拉曼光谱可以用于研究材料的晶格结构和化学组成，从而指导材料的结构优化。
通过对材料的拉曼光谱进行分析，可以确定材料的晶格常数、晶格缺陷和杂质浓度等信息，从而指导材料的优化设计。
7. 拉曼光谱在半导体材料的电子结构研究中的应用半导体材料的电子结构对其光学和电学性质有着重要影响。
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绝缘体：无价带电子，禁带太宽
半导体：价带充满电子，禁带较窄
(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
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：
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
根据公式 和 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。
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，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；
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
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
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：
(1)
I0：入射光强；Ix：透过厚度x的光强；It：透过膜薄的光强；α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。
透射率T为： (2)
则
即半导体薄膜对不同波长 i单色光的吸收系数为：
(3)
2.吸收光谱、半导体材料的能带结构和不同波长 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 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 。
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：
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：
(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：
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：
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”。
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：
(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。
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。