用光谱仪_测量物质吸收系数

图1 材料反射与透射示意图
2
1212n -n R=n +n ⎛⎫ ⎪⎝⎭用光谱仪测定介质的吸收系数
【实验目的】
通过对半导体材料吸收光谱的测量，计算半导体材料的吸收系数，并通过实验结果计算材料的禁带宽度。

【实验样品及仪器】
GaN 外延片若干片、汞灯、溴钨灯(350nm-2500nm)、光谱仪、光电倍增管
【实验原理与方法】
1、吸收系数测量方法
方法一
光波照射到材料界面时，会发生反射和折射。

一部分光从界面反射，另一部分透射到材料内部。

由于能量守恒，在界面上透射系数和反射系数满足T=1-R ，其中R 是反射系数，可以推出
其中n1和n2分别为两种不同介质的折射率。

实验中，n1为空气折射率（n1=1.0003），n2为样品的折射率。

设强度为I 0的光垂直透过厚度为d 的样品如图1所示。

在两个界面都会发生反射和透射，界面上反射系数为
R ，材料的吸收系数为α。

显然，第一个界面上的反射
光为RI 0，透入材料的光是(1-R)I 0；到达第二个界面的
光是(1-R)I 0e -αd ，最后透过第二个界面的光强度等于
(1-R)2I 0e -αd 。

根据定义透射系数为
(1)
若知道试样厚度d ，且根据已知可计算出反射系数
R 的大小，即可根据实验所得光强计算出吸收系数α。

2=(1)出射光强入射光强
α-=-d T R e
方法二
取两块表面性质相同（R 相同）但厚度不同的两块样品。

设样品的厚度分别为和，>，光谱外透射率分别为和。

由（1）式可得 2121αα--=d d T e T e 所以
1221ln ln T T d d α-=- 在合适的条件下，单色仪测量输出的数值与照射到它上的光的强度成正比，即：2211
T =T I I 。

所以读出测量的强度就可由下式计算光谱透射率和吸收系数： 1
221ln
I I d d α=- 2、半导体材料的光吸收
理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电子不能被激发到更高的能级。

当光子照射到半导体材料的时候，价带电子由于吸收光子能量而被激发到能量更高的导带，并在价带中留下一个空穴。

这种由于电子在价带与导带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收， 如图2所示。

因此发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体材料的禁带宽度， 即h ν≥h ν0=Eg 。

对于本征吸收，一定存在一个光子的临界频率ν0，当能量低于ν0或波长大于λ0时，不能产生本征吸收，吸收系数α迅速下降。

λ0被称作本征吸收限。

图2 半导体材料本征吸收示意图
在实际测量中，当光子能量小于禁带宽度时，也会被吸收，
这就说明除本征
吸收外，还存在其他的光吸收过程。

通常我们所遇到的为激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收。

对于这几种吸收峰，通常在室温条件下一般很难观察到，或者是很难定性，这时就需要借助低温和室温下的吸收谱进行比较才能进行分析研究。

根据理论计算可得，在半导体本征吸收带内，吸收系数α与光子能量hν又有如下关系[1]：
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，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。

【实验内容】
1.利用Hg灯对光谱仪校准。

2.用光谱仪测量溴钨灯的输出谱线。

3.测量透射光谱线
(a)利用溴钨灯作为光源，测量样品的透射谱线。

并根据透射谱线和步骤2
中所测溴钨灯的谱线，计算透射系数。

已知样品厚度、空气和材料的反
射率，根据测量方法一计算吸收系数α，并描绘出α随入射光能量E=h
ν变化的曲线，即α-hν。

(b)取两块不同厚度但相同材料的样品，根据测量方法二，用比较法测量并
绘图得出样品的吸收系数。

4.估算材料的禁带宽度
根据步骤3中所得吸收系数α随光子能量变化的曲线，并根据式
用作图法估算材料的禁带宽度。

【参考文献】
[1] Pankove J.I., Optical Processes in Semiconductors. Englewood Clifts:
Prentice-Hall, 1971。