Transcript 光電量測實驗簡介
光電量測實驗技術 實驗單元簡介 單元一：光源光譜特性量測實驗 單元二：光柵繞射實驗 單元三：光偏極化與布魯斯特角量測 單元四：麥克森干涉實驗 單元五：雷射光譜特性量測實驗 單元六：光電導(PC)量測實驗 單元七：光激螢光(PL)實驗 單元八：太陽能電池特性量測 11/10 11/17 11/24 12/1 12/8 12/15 12/22 12/29 第一組 1 2 3 4 5 6 7 8 第二組 2 3 4 5 6 7 8 1 第三組 3 4 5 6 7 8 1 2 第四組 4 5 6 7 8 1 2 3 第五組 5 6 7 8 1 2 3 4 第六組 6 7 8 1 2 3 4 5 第七組 7 8 1 2 3 4 5 6 第一組 張永詳 陳威州 第二組 林冠璋 詹崑祺 謝珩 第三組 何岡諺 林岳漢 徐瑋廷 第四組 林裕堯 陳啟章 李岳峻 第五組 黃聖源 王長民 第六組 賴彥丞 許均皓 第七組 吳崑逢 羅浩庭 光源光譜特性量測實驗 黑體輻射： Wien's displacement law Tmax = const = 2.898106 nmK Planck's law I ( , T ) 2hc 2 1 5 ehc / k T 1 B 低壓氣體放電的發光 發光二極體 24 10 9 8 13 2 c 3 10 1.7 10 (655 10 9 )2 at 300 K 300 kBT 26 meV h 70 meV 2.7 kBT 同調光源 1. Active laser medium 2. Laser pumping energy 3. High reflector 4. Output coupler 5. Laser beam 光柵繞射實驗 In the limit of n and 0, n b n n sin b sin 2 b sin sin sin(n / 2) sin E a a A b sin /2 n where A = na is a finite value (when n , a 0), and = b sin / 因此 EA sin cos(t ) I I0 sin 2 2 N-Slit Fraunhofer Diffraction Pattern EA sin [cos(t ) cos(t 1 ) cos(t ( N 1)1 )] sin sin N 1 A [cos(t ( N 1)1 )] sin 2 因此強度分佈 sin 2 sin 2 N I 4I0 2 sin 2 此處 = b sin / ， = d sin / 。若N非常大， 則強度最大值發生於 m，即 d sin = m, m = 0, 1, 2, 3,... 對反射式光柵而言，由於觀 察其繞射圖案時，入射光通 常並非垂直入射光柵，如下 圖所示。因此亮點形成之角 度與入射光角度間的關係可 由下式表示 a(sinm sin i ) m Si柱 掃描式電子顯微鏡 (SEM)影像 奈米鎳點 掃描式電子顯微鏡 (SEM)影像 Michelson干涉儀實驗 M’2 M2 S C O D M1 destructive interference 2d cos m constructive interference 2d cos m 12 d = 0.3 mm d = 0.14985 mm d = 0.15 mm d = 0.0 mm 雷射光譜特性量測實驗 雷射輸出縱向模間的頻率差為 c 2L 其中L為共振腔長度，亦即共振腔越長，輸出的縱模 數會越多。若以輸出波長為633 nm的HeNe雷射，若 其共振腔長度為25 cm，則其輸出之縱向模間的頻率 差約為600 MHz，對應之波長變化不到千分之一nm， 因此無法以一般單色儀將之解析。 掃描式Fabry-Perot干涉儀 雷射光射入由一對反射 鏡所構成的共振腔內， 當波長與d的關係滿足 M d 4 此處M為一整數， 稱為fringe order 於光偵測器處可得到一 穿透峰值。 FSR min FSR finesse 其中finesse為干涉儀的特性參數，取決於儀器構造及 鏡面的反射率，實驗所用干涉儀為200，FSR 10 GHz 光電導量測實驗 對半導體而言，導電率與自由電洞濃度p及自由電子濃度n的 關係如下 = e(e n + h p) 其中，e、h 分別為電洞與電子的遷移率。在沒有光照射下， 其電導率，稱為暗導電率，0。當在光輻照下，若價帶電子 吸收光子躍遷至導帶，會分別在導帶及價帶產生自由電子與 自由電洞，使得電荷載子濃度提高，因此電導增加 = 0 = e(e n + h p) 其中n、p分別為光生額外電子、電洞濃度。 單光儀或光譜儀 monochromater 對反射式光柵而言，由於觀 察其繞射圖案時，入射光通 常並非垂直入射光柵，如下 圖所示。因此亮點形成之角 度與入射光角度間的關係可 由下式表示 a(sinm sin i ) m 斬光器 chopper 參考頻率顯示 鎖相放大器 lock-in amplifier 訊號輸入 參考頻率輸入 鎖相放大器(Lock-in-Amplifier)的原理 鎖相放大器被使用來偵測和量測非常小的交流訊號直 至數nV。甚至當訊號被比它大數千倍雜訊掩蓋時，亦 可做正確的量測。 Lock-in Amplifier利用PSD (phase sensitive detector)， 可將電路特定的頻率與相位抓出，因此可過濾掉雜訊， 準確量得訊號。 Lock-in的量測需要一組參考頻率，在圖中，參考訊號 是一個方波，頻率 f ： 考慮一輸入訊號 e1 E1 sin(2 f1 1 ) 與一參考訊號 e2 E2 sin(2 f 2 2 ) 兩訊號通過混合器(mixer)混乘後得到一結果訊號： e3 e1 e2 E1 sin(2 f1 1 ) E2 sin(2 f 2 2 ) E1 E2 低頻 cos[2 ( f1 f 2 ) (1 2 )] 2 E1 E2 高頻 cos[2 ( f1 f 2 ) (1 2 )] 2 Photoconductivity (Si) 2.50E-05 Data Voltage (V) 2.00E-05 1.50E-05 1.00E-05 c 5.00E-06 0.00E+00 -5.00E-06 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 wavelength(nm) 1240 (nm eV) 1240 Eg (eV)= 1.07 eV c (nm) 1160 1250 1300 光致螢光量測實驗 以光照射在試片上，若光子能量大於基態與第一激發態的 能量差，電子可吸收光子能量躍遷至激發態。當電子釋放 能量回到較低能態，可有輻射過程(如螢光)與非輻射過程 (如聲子放射、缺陷捕獲)。 直接能隙 間接能隙 光致螢光可用於測試試片的成長好壞及成長成份 光偵測器 PL of InGaP on GaAs 7.00E-07 p 6.00E-07 5.00E-07 4.00E-07 3.00E-07 2.00E-07 1.00E-07 0.00E+00 600 650 700 750 800 850 900 24 10 9 8 13 2 c 3 10 1.7 10 (655 10 9 )2 at 300 K 300 kBT 26 meV h 70 meV 2.7 kBT