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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Eg，即
（1）
而当光子的频率低于，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）：
（2）
即：
（3）
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α可简单表示为：
（4）
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：
（5）
式中，α为吸收系数，hv是光子能量；Eg为材料的禁带宽度；A是材料折射率、折合质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m取1，则式（5）可以表示为：
（6）
对于禁带宽度的计算，可根据αhv ∝ hv的函数关系作图，将吸收边陡峭的线性部分外推到（αhv）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。其上升时间定义为从最小的输出值到峰值的63％的时间，下降时间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。

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X－Y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，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？

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