分享至
天美讲堂丨如何计算半导体材料禁带宽度
紫外可见漫反射介绍
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，漫反射光谱主要与物质的电子结构有关。
对于不透明样品，如粉末等材料，无法采用直射光系统测试并进一步了解其性能，需要借助积分球测试其漫反射光。漫反射光是与样品内部分子作用以后的光，携带有丰富的样品电子结构和组织信息。
半导体禁带宽度介绍
半导体是指常温下导电性能处于导体和绝缘体之间的材料，具有一定的带隙。通过采用适宜的光激发半导体材料，能使其激发价带的电子到导带，产生电子与空穴对，而导带低端与价带顶端能量差距就是带隙大小。通过对半导体能带结构的测试，能对其光电性能进行解析。采用紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测试是计算带隙值的一种方法。
紫外可见漫反射测试及带隙计算示例
以粉末样品为例，采用天美 UV2600 紫外可见分光光度计和 IS2600 积分球测试，积分球粉末池有正反两个凹槽的设计，分别能满足常规样品量和微量样品的测试，而且粉末池凹槽上面有石英窗，避免了样品粉末可能掉入仪器或积分球内导致出现污染的情况出现。
先用标准白板进行基线测试（R%模式），然后对样品进行漫反射测试，得到样品的紫外可见漫反射光谱。
由漫反射定律也即Kubelka – Munk 函数可知：
F(R) = (1-R)2 / 2R = K / S
这里R, K, S 分别代表样品的反射系数，吸收系数和散射系数
另外，基于Tauc, Davis 和Mott 等人提出的公式，俗称 Tauc plot：
(hν*α)n = A(hν - Eg)
其中，h 为普朗克常数；ν 为频率；A 为常数；α 为吸收指数；Eg 为半导体禁带宽度
这里的 n 对于间接带隙型半导体 n=1/2；对于直接带隙型半导体 n=2
F(R∞)正比于吸收系数α，在Tauc方程中可以用 F(R∞)代替 α，因此，上式可转变为：
[F(R)*hv]n = A(hv - Eg)
然后以 hv 为横坐标，(F(R∞)*hv)n 为纵坐标画图，当(F(R∞)*hv)n = 0 时，对应的横坐标 hv 即为Eg值的大小。如下图某直接型半导体材料示例：
具体数据处理方法示例：
根据 UV-Vis DRS 数据（横坐标为波长，纵坐标为反射率），见下面表格，那么：
横坐标就转换为D列数据：hv=1240/波长，单位为 eV
纵坐标就转换为F列数据，F(R∞) = (1-R)2 / 2R，其中R为反射率数值，也即是表格中B列/100 得到
由表格数据可得到纵坐标和横坐标的关系图，根据直线外推法与横坐标的交点即为 Eg值。
结论
以上是采用天美紫外可见分光光度计 UV2600+积分球 IS2600 进行半导体材料禁带宽度计算的详细过程示例，说明采用天美紫外可见分光光度计 UV2600+积分球 IS2600 能对半导体粉末材料进行漫反射测试，并反应材料的电子结构信息和光吸收性能等。
扫码关注我们
天美公司分析仪器
获取更多行业资讯
