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阶跃光激励下的半导体光热光偏转现象

作　者: 叶茂群
导　师: 方健文
学　校: 浙江师范大学
专　业: 光学
关键词: 光热光偏转阶跃光激励半导体材料少数载流子寿命
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 6次
引　用: 1次
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内容摘要

光热光偏转(Photothermal deflection, PTD)技术是一种基于光热效应建立和发展起来的无损检测技术,因其具有灵敏度高,不需要对样品进行预处理,可非接触测量等优点,已在物理、材料科学等领域获得了广泛的应用。最近,J.Zhao、曾胜财等提出了一种新的PTD技术,即阶跃光激励的PTD技术,并进行了初步的实验和理论研究。该技术与传统PTD技术相比,具有实验装置简单、紧凑,操作简便、快捷等优点。阶跃光激励的PTD技术目前尚处于发展阶段,以往的相关研究还仅局限于一般固体材料的光热效应,并且所测量的大多是材料的热学参数。在我们近期的研究中发现,半导体和一般固体材料的阶跃光激励的光热信号具有不同的特征,这就提供了一种利用阶跃光激励的光热技术表征半导体材料参数的可能性。本文简要回顾了半导体光激发过程、热源产生以及半导体光声光热效应的机理,并就阶跃光激励的PTD技术的理论和实验开展了如下研究工作：1.基于半导体光电效应原理和热传导规律,建立了阶跃光激励的半导体材料的一维温度场模型,并利用本征函数展开法进行求解。通过数值模拟对阶跃光激励下半导体材料的温度变化进行了研究,分析了半导体材料参数——载流子寿命以及热扩散率对温度变化的影响。此外,对阶跃光激励下半导体材料温度变化与PTD信号的关系进行了初步分析。2.建立了阶跃光激励的PTD技术的实验系统,并对系统的光路部分以及信号采集部分进行了分析。介绍了激励光和探测光调节装置、样品平台和信号接收装置,并阐述了位置探测器、探测光束与样品表面的水平调节方法。3.利用阶跃光激励的PTD实验系统研究了少数载流子寿命不同的半导体样品的光热光偏转信号,实验结果与理论结果符合较好,表明阶跃光激励的光热技术可用于对半导体材料参数进行表征。此外,对PTD信号与探测光---样品表面间距以及泵浦-探测光间距的关系进行了分析。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
1 绪论  8-18
  1.1 引言  8-9
  1.2 半导体的光激发过程和热源产生  9-11
  1.3 半导体中光声效应的一般机理  11-12
    1.3.1 等离子体波  11
    1.3.2 热波  11-12
    1.3.3 声波  12
  1.4 光热光偏转技术的原理和特点  12-13
    1.4.1 光热光偏转技术的原理  12-13
    1.4.2 光热光偏转技术的特点  13
  1.5 光热偏转技术的实验装置  13-15
  1.6 光热光偏转技术及其应用研究的发展  15-16
    1.6.1 在半导体材料和器件及微电子的表征  15
    1.6.2 在无损探伤中的应用  15-16
  1.7 论文选题的指导思想和研究工作介绍  16-18
2 阶跃光激励的半导体光热光偏转技术的理论研究  18-32
  2.1 引言  18
  2.2 材料对激光的吸收  18-20
  2.3 热传导微分方程  20
  2.4 理论模型  20-27
    2.4.1 等离子体波(上升沿)  21-22
    2.4.2 热波(上升沿)  22-23
    2.4.3 等离子体波(下降沿)  23-26
    2.4.4 热波(下降沿)  26-27
  2.5 光束偏转角的计算  27-28
  2.6 数值计算  28-31
  2.7 小结  31-32
3 阶跃光激励的光热光偏转实验系统  32-40
  3.1 引言  32
  3.2 实验系统  32-33
  3.3 光路部分  33
  3.4 接收部分  33-37
    3.4.1 位置探测器(二象限探测器)  33-35
    3.4.2 锁相放大器的原理  35-36
    3.4.3 数字存储示波器  36-37
  3.5 机构设计  37-39
  3.6 小结  39-40
4 实验结果及讨论  40-52
  4.1 实验装置  40
  4.2 实验装置的调节  40-41
  4.3 实验结果与讨论  41-50
    4.3.1 激励光波形与相应的光热光偏转信号  41-42
    4.3.2 探测光离样品表面的距离对光热光偏转信号的影响  42-44
    4.3.3 探测光和激励光的距离对光热光偏转信号的影响  44-46
    4.3.4 掺杂浓度不同的半导体对光热光偏转信号的影响  46-50
  4.4 小结  50-52
5 总结与展望  52-53
参考文献  53-55
攻读硕士学位期间科研成果  55-56
致谢  56-58

阶跃光激励下的半导体光热光偏转现象

内容摘要

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