TRMC 測(cè)量原理

TRMC 測(cè)量主要包括兩個(gè)過(guò)程：1.激光照射樣品產(chǎn)生電子-空穴對(duì);2.微波探測(cè)材 料電導(dǎo)率的變化并轉(zhuǎn)化為載流子濃度和遷移率的變化。由光電效應(yīng)可知，當(dāng)使用光子 能量大于帶隙的光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，材料將吸收光能量，產(chǎn)生非平衡載流子，也稱(chēng) 為光生載流子。停止光照后光生載流子濃度隨時(shí)間指數(shù)衰減最大值的 1/e 處所經(jīng)歷的時(shí) 間稱(chēng)為少數(shù)載流子壽命。TRMC 測(cè)量示意圖如圖1所示：

圖1 TRMC 測(cè)量原理圖

光生載流子與微波電磁場(chǎng)相互作用，使微波電磁場(chǎng)發(fā)生變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)反射回來(lái) 的微波，探測(cè)出材料電導(dǎo)率或載流子濃度的變化過(guò)程，進(jìn)而獲得載流子動(dòng)力學(xué)信息。

假設(shè)材料是有耗材料，其介電常數(shù)為復(fù)介電常數(shù)，可以表示如下：

ε′和 ε″分別是復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部，ε0 是真空中介電常數(shù)，εr 是相對(duì)介電常數(shù)， σ 是材料的電導(dǎo)率，ω 是微波的角頻率。入射微波功率為 Pi ，反射微波功率為 Pr ，光照后樣品的電導(dǎo)率發(fā)生變化從而引起微波損耗，假設(shè)光照前后材料的電導(dǎo)率變化了?σ , 樣品吸收的微波即為反射微波功率與入射微波功率之差 ，則有：

R 是微波穿過(guò)樣品的反射系數(shù)，是電導(dǎo)率 σ 的函數(shù)，式 3.4 可改寫(xiě)為：

即反射微波的變化量與材料電導(dǎo)率變化成正比[34] ，在微擾條件下，即電導(dǎo)率的變 化?σ 很小很小時(shí)，式 3.5 可改寫(xiě)為：

激光照射樣品引起材料電導(dǎo)率變化可以表示為：

Δσ = ne (t ) μe + nh (t )μh

電導(dǎo)率的變化和載流子濃度與遷移率的乘積成正比，光照的瞬間產(chǎn)生非平衡載流 子，當(dāng)光照停止時(shí)，非平衡載流子不會(huì)立即消失，而是通過(guò)各種復(fù)合或擴(kuò)散或遷移逐 漸減小，直至消失。在本文中，微波信號(hào)由檢波二極管轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在示波器上 即可看到光照射樣品時(shí)載流子從產(chǎn)生到復(fù)合的過(guò)程，示波器的輸出電壓與輸入微波功 率有以下關(guān)系：

當(dāng)?P 變化很小時(shí)微波功率與輸出電壓成正比，因此輸出電壓信號(hào)可代表載流子濃 度與遷移率的變化趨勢(shì)，通過(guò)擬合曲線即可得到載流子的衰減壽命和其他參數(shù)。

審核編輯 黃宇