Дисциплина: Физические основы оптоэлектроники

Лабораторная работа № 7.3

Исследование спектральных зависимостей оптических свойств пленок в ближней УФ и ИК областях спектра.

Количество часов на выполнение – 3 часа.

1. ОБОРУДОВАНИЕ:

1. Спектрофотометр СФ-46.

2. Вольтметр цифровой В7-23.

3. Компьютер с интерфейсным блоком согласования для ввода оптической информации.

4. Светофильтры №1 и №2 для проверки юстировки спектрофотометра.

5. Таблица с реперными точками для светофильтров №1 и №2.

6. Пленка Si на стекле для определения ширины запрещенной зоны.

7. Пленка CdS на стекле для определения ширины запрещенной зоны.

8. программа C:\SF46\sf46_66b.exe для автоматической регистрации показаний спектрофотометра СФ-46.

9. Программа MS Excel для обработки результатов эксперимента.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Научиться работать со спектрофотометром СФ-46 в режиме регистрации показаний с помощью ПЭВМ.

2. Научиться измерять спектральные зависимости коэффициента пропускания с помощью спектрофотометра СФ-46.

3. Научиться определять ширину запрещенной зоны полупроводника в случае непрямых переходов.

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1. Описание спектрофотометра

3.1.1. Назначение

Спектрофотометр СФ-46 предназначается для измерения спектральных коэффициентов пропускания жидких и твердых веществ в области спектра от 190 до 1100 нм.

3.1.2. Принцип действия и схемы спектрофотометра

3.1.2.1. Принцип действия

В основу работы спектрофотометра СФ-46 положен принцип измерения отношения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).

Структурная схема спектрофотометра представлена на рис. 1.

Световой пучок из осветителя попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через образец, попадает на катод фотоэлемента в приемно-усилительном блоке. Электрические сигналы на резисторе R_н, включенном в анодную цепь фотоэлемента, пропорциональны потокам излучения, падающим на фотокатод.

Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления, близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (в дальнейшем — МПС). МПС по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения U_г, U₀ и U, пропорциональные темновому току фотоэлемента, потоку, прошедшему через контрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец. После измерения МПС рас считывает коэффициент пропускания исследуемого образца по формуле

( 1)

Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом (в дальнейшем — фотометрическом) табло.

3.1.2.2. Оптическая схема

Излучение от источника 1 (рис. 2) или Г падает на зеркальный конденсор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало 3 и дает изображение источника излучения в плоскости линзы 4, расположенной вблизи входной щели 5 монохроматора.

М онохроматор построен по вертикальной автоколлимационной схеме.

Прошедшее через входную щель излучение падает на вогнутую дифракционную решетку 6 с переменным шагом и криволинейным штрихом. Решетка изготавливается на сферической поверхности, поэтому, помимо диспергирующих свойств, она обладает свойством фокусировать спектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительно уменьшает аберрационные искажения вогнутой дифракционной решетки и позволяет получить высокое качество спектра во всем рабочем спектральном диапазоне.

Дифрагированный пучок фокусируется в плоскости выходной щели 7 монохроматора, расположенной над входной щелью 5. Сканирование осуществляется поворотом дифракционной решетки, при этом монохроматическое излучение различных длин волн проходит через выходную щель 7, линзу 8, контрольный или измеряемый образец, линзу 9 и с помощью поворотного зеркала 10 попадает на светочувствительный слой одного из фотоэлементов 11 или 12.

Для уменьшения рассеянного света и срезания высших порядков дифракции в спектрофотометре используются два светофильтра: из стекла ПС11 для работы в области 230—450 нм и из стекла ОС14 для работы в области 600—1100 нм. Смена светофильтров производится автоматически.

Линзы изготовлены из кварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания в ультрафиолетовой области спектра.

Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерений в области спектра от 186 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент — для измерений в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указывается в паспорте спектрофотометра.

Дейтериевая лампа предназначается для работы в области спектра от 190 до 350 нм, лампа накаливания — для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Для проверки градуировки используется ртутно-гелиевая лампа.

3 .1.3. Устройство спектрофотометра

С пектрофотометр (рис 3) состоит из монохроматора 13, микропроцессорной системы (МПС) 14, кюветного отделения 15, камеры 16 с фотоприемниками и усилителем и осветителя 17 с источниками излучения и стабилизатором.

Оптические и механические детали, входящие в монохроматор и закрытые защитным кожухом, блок питания МПС, а также отсчетное устройство 20 установки длин волн и переключатель 21 щели расположены на основании 22 (см рис 3). К этому основанию жестко крепится дополнительное основание 23, несущее на себе съемные части спектрофотометра — кюветное отделение и камеру с фотоприемниками и усилителем.

В спектрофотометре используются два источника сплошного спектра: дейтериевая лампа для работы в области спектра от 190 до 350 нм и лампа накаливания для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Смена источников излучения производится в диапазоне от 340 до 350 нм путем переключения зеркальною конденсора в оправе рычагом 34 (см рис 3).

Каждый держатель источника излучения имеет свой механизм юстировки, обеспечивающий следующие движения патрона с лампой: поворот вокруг вертикальной оси, перемещение по высоте, а также два взаимно перпендикулярных движения в горизонтальной плоскости (в направлении к конденсору и под углом 90° к нему). Держатели источников излучения и стойка с конденсором крепятся на отдельном кронштейне 38, жестко связанном с основанием монохроматора. Источники излучения закрываются кожухом с отверстиями для выхода излучения и для перемещения рычага 34.

Кюветное отделение 15 (см. рис. 3) предназначается для установки исследуемых и контрольных образцов (образцов сравнения) Для крепления плоских твердых образцов в кюветном отделении служит держатель с четырьмя окнами и пружинами, позволяющий устанавливать и измерять пропускание образцов толщиной от 0, 5 до 2 мм, шириной от 8 до 15 мм. Для образца большего размера держатель имеет прижимную планку.

Держатели твердых образцов устанавливаются в каретку стороной с белой точкой к оператору, предельно близко к выходному окну монохроматора. Каретка с образцами перемещается с помощью рукоятки 40 и может фиксироваться в четырех положениях: «1», «2», «3» и «4», соответствующих четырем образцам.

Для измерения коэффициентов пропускания малых образцов в комплекте спектрофотометра имеются диафрагмы различных размеров (диаметром 1, 2, 4, 8 мм и с прямоугольным отверстием 2*6 мм), которые устанавливаются в оправу во входном отверстии кюветного отделения за выходной щелью монохроматора. Чтобы диафрагма плотно держалась в оправе, необходимо отжать ее лапки.

Измерение коэффициентов пропускания образцов производится при плотно закрытой крышке кюветного отделения.

Фотоприемники и усилитель размещены в камере 16. Переключение элементов производится с помощью рукоятки 41 (см. рис. 3). Если рукоятка находится в положении «Ф», в схему включен сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, если она установлена в положение «К», в схему включен кислородно-цезиевый фотоэлемент 43. Микропереключатель 44 включает фотоэлементы.

В камере 16 находится осушительный патрон 46 с силикагелем.

На передней панели МПС 14 (см рис. 3) имеются фотометрическое табло и клавиатура для управления процессом измерения.

Внизу на основании расположены: индикаторная лампа 48 СЕТЬ и кнопка СЕТЬ.

На передней стенке камеры 16 располагаются рукоятка 49 переключения шторки и рукоятка 50 установки нуля. Установка нуля осуществляется потенциометром с двойной регулировкой (грубой и тонкой), поэтому необходимо пользоваться им с большой осторожностью, не прилагая усилий.