Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии электронной компонентной базы. Учебно-методическое пособие
.pdf
6 5 4
7 8
Рис. 4.1. Спектры пропускания образца германия
при двух различных температурах
Для ионов переходных металлов и их соединений характерны переходы с участием
ментов (РЗЭ) и актиноидов – переходы с участием
d-электронов, а для ионов редкоземельных эле-
f-электронов.
Поскольку положение полос в спектре определяется как разность
энергий основного и возбужденного состояний электронов, можно
определить структуру энергетических уровней молекулярных связей
или по известной схеме энергетических уровней определить положение полос поглощения.
Для измерения спектров используют спектральные приборыспектрофотометры, основные части которого – источник излучения,
диспергирующий элемент, кювета с исследуемым
веществом, реги-
стрирующее устройство (рис. 4.2).
1
3
Рис. 4.2. Оптическая схема простого спектрофотометра: 1 – источник
излучения; 2 – зеркало; 3 – входная и выходная щели;
4 – коллимирующее зеркало; 5 – призма; 6 – поворотное зеркало;
7 – кювета; 8 – фотоэлемент
31
2
В качестве источников излучения применяют дейтериевую (или
RnN
водородную) лампу (в УФ-области) и вольфрамовую лампу накаливания. Газоразрядная водородная лампа обеспечивает сплошной
спектр в ультрафиолетовой области и особенно удобна для измерений от 200 до 350 нм.
Вольфрамовая лампа накаливания используется для работы в
ближней ультрафиолетовой области, видимой и ближней инфракрасной области
, т.е. в пределах от 320 до 3000 нм.
Приемниками излучения служат вакуумные фотоэлементы или
фоторезисторы на основе PbS.
Диспергирующими элементами прибора являются призменный
монохроматор или монохроматор с дифракционными решетками.
Монохроматор – приспособление для выделения очень узкой полосы излучения из спектра источника света. Излучение источника
проходит через регулируемую входную щель в монохроматор, в
котором луч разделяется на спектр при помощи призмы или дифракционной решетки. Этот спектр фокусируется на выходной щели. Путем
вращения призмы или дифракционной решетки на щели можно выделить определенную, достаточно узкую часть спектра, которая проходит в кюветное отделение, где находится исследуемое вещество.
Материал, из которого изготавливаются призмы, выбирается
с
расчетом получения максимальной дисперсии и малого поглощения
в исследуемой области спектра. Призмы из кварцевого стекла используются в видимой области, из кварца – в ультрафиолетовой и
ближней инфракрасной области. Призмы по сравнению с дифракционными решетками обеспечивают более чистый спектр.
Дифракционные решетки дешевле, чем призмы, и могут быть ис-
пользованы
для всех областей спектра, так как их собственное пропускание в данном случае не имеет определяющего значения. Дифракционная решетка состоит из большого числа параллельных линий, нанесенных на стекло или на поверхность металла. Спектры,
получаемые с дифракционной решеткой, не так чисты, как призменные, потому что образуется спектр более чем
одного «порядка».
Дисперсия от дифракции остается практически постоянной при изменении длины волны, и разрешающая сила решетки определяется
порядком спектра и числом линий на освещенной части дифракционной решетки:
где
R – разрешающая сила решетки; n – порядок спектра; N – число линий.
32
=⋅ , (4.1)
Для обеих систем диспергирования света необходимы коллимирующие и фокусирующие линзы или зеркала, обычно комбинируемые с диспергирующим устройством.
Спектр получают в графической форме, а в приборах со встроенным миникомпьютером – в графической и цифровой.
Графически спектр регистрируют в координатах: длина волны
(нм) и/или волновое число (см
ская плотность
D.
–1
) – пропускание T (%) и/или оптиче-
Основные характеристики спектрофотометров: точность определения длины волны излучения и величины пропускания, разрешающая способность и светосила, время сканирования спектра.
Ширина щели является одной из наиболее важных переменных
величин в спектрофотометрии. Чистота (монохроматизм) излучения
частично зависит от ширины щели. Относительная интенсивность
спектральной полосы при любой длине волны будет неодинаковой;
наивысшая
интенсивность приходится на центр полосы и уменьшается к ее краям. Если входную щель уменьшить, относительная интенсивность становится более однородной. Однако нельзя уменьшать
ширину щели бесконечно, существует предельная величина (оптимальная ширина щели), за которой любое уменьшение щели снижает
интенсивность излучения.
Центр полосы, имеющий максимальную интенсивность, называ-
ется средней длиной
волны и является величиной, отмечаемой на
шкале длин волн.
Возможные ошибки независимо от ширины щели вероятны в случае, если интенсивность излучения источника и чувствительность
фотоэлемента низкие, пропускание исследуемого объекта, кювет или
призм неудовлетворительное вследствие загрязнения либо старения
или если определение проводится на пределе спектральной чувствительности области.
С призменными
инструментами ширина полосы, соответствующая установленной ширине щели, не является постоянной по всей
шкале волн, так как разрешение спектра изменяется с длиной волны
и увеличивается с ее уменьшением. Настройка ширины щели не является необходимой для ряда приборов, в которых всегда используются условия максимальной чувствительности.
Современные спектрофотометры комплектуются встроенными
микрокомпьютерами
, которые осуществляют автоматизированное
управление прибором и различную математическую обработку получаемых экспериментальных данных: статистическую обработку ре-
33
зультатов измерений, логарифмирование величины пропускания,
Kl
многократное дифференцирование спектра.
Измерение спектра поглощения представляет собой наиболее
прямой и, возможно, простейший метод исследования зонной структуры полупроводников. В процессе поглощения фотон с определенной энергией переводит электрон из нижнего в лежащее выше (возбужденное) энергетическое состояние. Поместив пластинку полупроводника на выходе монохроматора и
исследуя ее пропускание,
можно выявить все возможные электронные переходы и получить
обширную информацию о распределении состояний.
Поглощение описывается при помощи коэффициента
K (см
–1
) и
определяется как относительное уменьшение интенсивности света
вдоль направления его распространения при толщине образца
l:
I
где
I
– начальное значение интенсивности освещения.
0
I
exp()
=−
I
0
, (4.2)
Термин «собственное поглощение» относится к электронным переходам, т.е. к возбуждению электронов из валентной зоны в зону
проводимости. Собственное поглощение, которое проявляется в резком возрастании поглощения, можно использовать для определения
ширины запрещенной зоны полупроводника. Однако, поскольку оптические переходы подчиняются определенным правилам отбора,
процедура
вычисления ширины запрещенной зоны из «края поглощения» может оказаться непростой, даже если удастся учесть конкурирующие процессы поглощения.
Собственное поглощение имеет такие виды переходов электронов:
1 – разрешенные прямые переходы;
2 – запрещенные прямые переходы;
3 – непрямые переходы между непрямыми долинами;
4 – непрямые переходы между прямыми долинами.
Сравнительно просто анализируется поглощение, связанное с пе
реходами между двумя прямыми долинами, при условии что все переходы с сохранением импульса разрешены, т.е. вероятность перехода не зависит от энергии фотона.
На практике меру прохождения излучения через образец определенной толщины характеризуют относительным коэффициентом
= I/I
пропускания Т
%.
0
-
34
4.1.2. Спектрофотометрия отраженного излучения
n
IRvI
Различают спектры внешнего и внутреннего отражения. Первые, в
свою очередь, делятся на спектры зеркального отражения, когда падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к
отражающей поверхности, а угол отражения равен углу падения, и
спектры диффузного отражения, когда отраженные лучи рассеиваются по разным
направлениям. Характер внешнего отражения излучения определяется соотношением между длиной волны λ падающего излучения и размерами неровностей отражающей поверхности.
При неровностях, размеры которых меньше λ, наблюдается зеркальное отражение, в остальных случаях – диффузное отражение (рассеянное излучение). Практически отраженное излучение всегда имеет
смешанный характер; лишь при специально выбранных условиях
преобладает
вклад того или иного вида отражения.
Зеркальное отражение получают с применением гладкой плоской
поверхности, в частности при исследовании молекулярных структур
слоев, нанесенных на различные подложки, при изучении явлений
адгезии, адсорбции, ингибирования, коррозии, а также при определении оптических постоянных (например, действительной и мнимой
частей показателя преломления). В последнем случае измеряют
от-
ражательную способность вещества определяется по формуле
0
()
, (4.3)
=
I
и In – интенсивности отраженного и падающего излучения со-
где
0
ответственно для спектра с волновым числом l (
v = 1/l).
При этом пучок света должен быть параллельным и падать на плоскую
полированную поверхность образца. Типичный вид спектра отражения
R
металлов показывает частотную зависимость коэффициента
(рис 4.3).
λ
Спектры, полученные при зеркальном отражении, представляют
собой суперпозицию спектров отражения и пропускания. Обычно
наилучшие результаты получают при угле падения излучения около
45° и при толщине покрытий около 0,01 мм. При малых толщинах
пленок (0,01 мм) и угле падения 90° спектры отражения не могут
быть получены, т.к. образующаяся стоячая волна электрического поля
имеет на отражающей поверхности узел и электронные орбитали
вещества не могут взаимодействовать с излучением. Количество отраженной энергии при скользящем падении луча может быть значительно больше, причем проникновение излучения будет более глубоким, т.е. будет исследоваться большая толщина образца.
35
Al
Ag
Рис. 4.3. Спектры отражения полированных образцов
алюминия и серебра
Спектры отражения – единственный метод получения количественных оптических характеристик веществ, для которых по тем или
иным причинам (вследствие очень сильного поглощения, невозможности получить тонкие слои и т.п.) не могут быть получены спектры
пропускания. Все физические тела, которые сами не излучают в видимой области спектра, могут исследоваться вследствие характерно
го для них спектра отражения. Спектры отражения применяют для
определения оптических постоянных веществ, для исследования
тонких пленок, в частности, в оптической промышленности и микроэлектронике.
-
4.1.3. Спектрофотометрия излучения
Спектрофотометр, точнее, его монохроматорная и регистрирующая части могут быть использованы для анализа характеристик светоизлучающих приборов и структур современной микроэлектроники.
Для этого
достаточно разместить соответствующий прибор (светодиод, полупроводниковый лазер или люминесцирующую структуру) в
камере источника излучения в фокальной плоскости коллимирующей системы. Многие простые модели спектрофотометров обладают
вполне эффективной монохроматорной оптикой и могут быть приспособлены для спектрального анализа излучающих приборов и изучения зависимости характеристик излучения от условий эксплуатации. В
большинстве случаев такие измерения осуществляются в узких спектральных полосах, для светодиодов в пределах 10…15 нм, поэтому существенной становится калибровка шкалы монохроматора и макси-
36
мальная разрешающая способность прибора. Светоизлучающий прибор
или сборку таких приборов размещают во входном окне монохроматора, интенсивность светового потока регулируют подбором размера щели и оценивают в относительных единицах шкалы пропускания.
Для калибровки шкалы длин волн можно использовать интенсивные линии спектра газоразрядной водородной лампы при 486,13 и
656,28 нм. Шкалу длин
волн проверяют также при помощи входящих
в комплектацию спектрофотометров стеклянных окрашенных фильтров, которые имеют характерные полосы поглощения в видимой и
ультрафиолетовой областях. Таким образом, в физике и материаловедении полупроводников различные варианты спектрофотометрии
позволяют решать следующие задачи: определять край собственного
поглощения полупроводника и через него оценивать оптическую
ширину запрещенной зоны
, исследовать влияние легирования на оптическое поглощение, оценивать толщину оксидных пленок на кремниевых подложках, анализировать спектры излучения светодиодов и
ширину запрещенной зоны в прямозонных полупроводниковых соединениях, устанавливать связь интенсивности излучения с током
питания светодиода и т.п.
Основными элементами спектрофотометра являются осветитель, мо-
нохроматор и фотоприемник. С помощью
монохроматора из спектральной характеристики осветителя (в нашем случае это специальная лампа
накаливания c вольфрамовой спиралью) вырезается узкая частотная область (как бы монохроматическая), которая далее попадает на щелевую
диафрагму. В коротковолновой части спектра (менее 350 нм), эффективность ламп накаливания невысока, в приборе СФ-26 источником в этом
диапазоне служит газонаполненная дейтериевая лампа
, но в данной рабо-
те использование диапазона 186…350 нм не предполагается.
Основная погрешность градуировки шкалы длин волн, нм, не более:
в области 186…300 нм – 0,1;
в области 300…350 нм – 0,2;
в области 350…400 нм – 0,3;
в области 400…550 нм – 0,5;
в области 550…1000 нм – 1,0;
в области 1000…1100 нм – 5,0.
Монохроматором служит кварцевая призма с зеркальной гранью
(элемент
5 и 6 на рис. 4.2) с двукратным прохождением оптического
излучения, вращение которой и обеспечивает развертку спектра осветителя. Лимб поворотного механизма призмы отградуирован непосредственно в единицах длины волны – нанометрах.
37
4.2. Порядок выполнения эксперимента
Регистрация спектров пропускания
B монохроматический поток излучения поочередно вводятся контрольный и измеряемый образцы. При введении контрольного образца (под ним в данной работе понимается слой воздуха в кюветной
камере) стрелка измерительного прибора устанавливается на деление
100 % по шкале пропускания регулировкой ширины щели, и величину установившегося при этом светового потока принимают за 100 %
пропускания. При
стрелка измерительного прибора отклоняется пропорционально изменению потока, величина коэффициента пропускания отсчитывается по шкале, отградуированной в процентах пропускания Т или единицах оптической плотности
емником находится кюветная камера, в которую помещается исследуемый образец. На рис. 4.4 приведена схема исследования пропускания
света через образец, расположенный нормально к световому пучку.
введении в поток излучения измеряемого образца
D. Между щелевой диафрагмой и фотопри-
Рис. 4.4. Оптическая схема регистрации спектра пропускания
С помощью дополнительных зеркал (рис. 4.5) можно исследовать
отражательные свойства образца. В этом случае важно с возможной
точностью зафиксировать образец под постоянным углом 45° к направлению падения светового пучка. Важно также использовать металлические настроечные зеркала, а не стеклянные, чтобы минимизировать вносимое поглощение.
Фотоприемниками спектрофотометра СФ-26 являются два вакуумных фотоэлемента
: сурьмяно-цезиевый (186…650 нм) и кислородно-цезиевый (600…1100 нм), соединенные со встроенным вольтметром через транзисторный усилитель постоянного тока.
38
Рис. 4.5. Оптическая схема регистрации спектра отражения
Ориентировочной границей смены используемого фотоприемника
можно принять длину волны 620 нм, на более коротких волнах используя сурьмяно-цезиевый (позиция Ф на корпусе прибора), на более длинных – кислородно-цезиевый фотоэлемент (позиция К). При
большой освещенности фотоприемник «засвечивается», т.е. его ток
перестает зависеть от интенсивности падающего света. Для регулировки интенсивности
можно использовать щелевую диафрагму.
Спектральная характеристика осветителя обычно имеет вид кривой с максимумом (рис. 4.6). Для накальных источников света максимум излучения соответствует желто-зеленому участку спектра
(длины волн 500…580 нм). Фотоприемники также обладают некоей
зависимостью чувствительности от длины волны.
Т, %
Рис. 4.6. Пример сплошного спектра осветителя (лампа накаливания)
39
При фиксированном размере щели (0,2…0,4 мм) и выбранной
чувствительности фотоприемника и вольтметра в задание работы
может быть включено снятие участка спектральной характеристики
осветителя или светодиода (например, в интервале 500…1000 нм).
4.3. Указания по охране труда
Спектрофотометр СФ-26 имеет блок питания осветителей и усилителя постоянного тока, питающийся от сети переменного тока 220 В.
Прибор должен иметь заземление или быть включен по схеме защитного зануления.
При обнаружении неисправностей в работе электрооборудования
(искрение, ощущение утечки электрического тока и т.п.) студент
должен прекратить работу с ним и
обратиться за указаниями к пре-
подавателю или лаборанту.
4.4. Порядок проведения измерений
1. Включите спектрофотометр, как указано в разделе 2 настояще-
го издания.
2. Установите требуемую длину волны, вращая рукоятку «длина
волны» в сторону увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую величину, то возвратите ее назад на 3…5 нм и
снова подведите к требуемому делению.
3. Поставьте рукоятку «чувствительность» в положение «1» (основное). Если поток излучения недостаточен и измеряемый и контрольный образцы значительно поглощают излучение, установите
рукоятку в положение «2», «3» или «4». При работе в положении
«КАЛИБР» или «х0,01» рукоятку «компенсация» и рукоятку «чувствительность» установите также в одно из положений – «2», «3», «4».
4.4.1. Измерение коэффициента пропускания
1. Установите на пути потока излучения контрольный образец,
перемещая
каретку кюветной камеры. При отсутствии образца сравнения величина потока, проходящего через свободное окно, принимается за 100 % пропускания.
2. Установите рукоятку «компенсация» в положение «х1».
3. Установите стрелку измерительного прибора на ноль рукояткой
«НОЛЬ».
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]