半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電子科技大學(xué)半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：艾合麥提江學(xué)號(hào)：2010033040008班級(jí)：固電四班實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體電學(xué)特性測(cè)試 測(cè)量半導(dǎo)體霍爾系數(shù)具有十分重要的意義。根據(jù)霍爾系數(shù)的符號(hào)可以判斷材料的導(dǎo)電類(lèi)型；根據(jù)霍爾系數(shù)及其與溫度的關(guān)系，可以計(jì)算載流子的濃度，以及載流子濃度同溫度的關(guān)系，由此可確定材料的禁帶寬度和雜質(zhì)電離能；通過(guò)霍爾系數(shù)和電阻率的聯(lián)合測(cè)量能夠確定我流子的遷移約 用微分霍爾效應(yīng)法可測(cè)縱向載流子濃度分布；測(cè)量低溫霍爾效應(yīng)可以確定雜質(zhì)補(bǔ)償度?；魻栃?yīng)是半導(dǎo)體磁敏器件的物理基礎(chǔ)。1980年發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)對(duì)科技進(jìn)步具有重大意義。 早期測(cè)量霍爾系數(shù)采用矩形薄片樣品以及“橋式”樣品。1958年范

2、德堡提出對(duì)任意形狀樣品電阻率和霍爾系數(shù)的測(cè)量方法，這是一種有實(shí)際意義的重要方法，目前已被廣泛采用。本實(shí)驗(yàn)的目的使學(xué)生更深入地理解霍爾效應(yīng)的原理，掌握霍爾系數(shù)、電導(dǎo)率和遷移率的測(cè)試方法，確定樣品的導(dǎo)電類(lèi)型。一、實(shí) 驗(yàn) 原 理如圖，一矩形半導(dǎo)體薄片，當(dāng)沿其x方向通有均勻電流I，沿Z方向加有均勻磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)，則在y方向上產(chǎn)生電勢(shì)差。這種想象叫霍爾效應(yīng)。所生電勢(shì)差用VH表示，成為霍爾電壓，其相應(yīng)的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)Ey。實(shí)驗(yàn)表明，在弱磁場(chǎng)下，Ey同J（電流密度）和B成正比 Ey=RHJB （1）式中RH為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)。在不同的溫度范圍，RH有不同的表達(dá)式。在本征電離完全可以忽略的雜質(zhì)電離

3、區(qū)，且主要只有一種載流子的情況，當(dāng)不考慮載流子速度的統(tǒng)計(jì)分布時(shí)，對(duì)空穴濃度為p的P型樣品 （2）式中q為電子電量。對(duì)電子濃度為n的N型樣品 （3）當(dāng)考慮載流子速度的統(tǒng)計(jì)分布時(shí)，式（2）、（3）應(yīng)分別修改為 （4）式中H為霍爾遷移率。為電導(dǎo)遷移率。對(duì)于簡(jiǎn)單能帶結(jié)構(gòu) （5）H稱為霍爾因子，其值與半導(dǎo)體內(nèi)的散射機(jī)制有關(guān)，對(duì)晶格散射H=3/8=1.18;對(duì)電離雜質(zhì)散射H=315/512=1.93,在一般粗略計(jì)算中, H可近似取為1.在半導(dǎo)體中主要由一種載流子導(dǎo)電的情況下，電導(dǎo)率為 和 （6）由（4）式得到 和 （7）測(cè)得RH和后，H為已知，再由（N，T）實(shí)驗(yàn)曲線用逐步逼近法查得，即可由式（4）算得n或

4、p。這樣得到的h=H/，已計(jì)入了多種散射同時(shí)存在的影響和能帶結(jié)構(gòu)修正。在溫度較高時(shí),半導(dǎo)體進(jìn)入過(guò)渡區(qū)和本征導(dǎo)電范圍,必須考慮樣品中同時(shí)存在兩種載流子的影響.在弱電場(chǎng)條件下,可以證明 (8)式中b=n/p。對(duì)N型半導(dǎo)體 n=ND-NA+p （9）對(duì)P型半導(dǎo)體 p=NA-ND+n （10）如只考慮晶格散射，電導(dǎo)率為 （11）式中Ln和Lp和分別為電子的晶格散射遷移率，這里b=Ln/Lp。由式（9）、（10）和（11）可得 N型 （12） P型 （13）Ln和Lp可查閱實(shí)驗(yàn)手冊(cè)。當(dāng)b已知，便可由測(cè)得的電導(dǎo)率計(jì)算出n和p的值。 二、實(shí)驗(yàn)儀器 1、勵(lì)磁恒流源IM 輸出電流：01A，連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)

5、1nA。 最大輸出負(fù)載電壓：24V。2、霍爾元件工作恒流源IS 輸出電流：010mA，連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)10A。3、直流數(shù)字毫伏表： 測(cè)量范圍：20mV，20mV。489489注意事項(xiàng)：1、霍爾元件是易損元件，必須防止元件受壓、擠、扭和碰撞。2、實(shí)驗(yàn)前檢查電磁鐵和霍爾元件二維移動(dòng)裝置是否松動(dòng)。3、記錄數(shù)據(jù)時(shí)，為了不使電磁鐵過(guò)熱，不能長(zhǎng)時(shí)間閉合勵(lì)磁電源的換向開(kāi)關(guān)4、儀器不宜在強(qiáng)光照射下、高溫下或有腐蝕性氣體的場(chǎng)合中使用，不宜在強(qiáng)磁場(chǎng)中存放。5、實(shí)驗(yàn)完畢，請(qǐng)務(wù)必切斷電源，避免線圈過(guò)熱造成儀器燒毀，否則后果自負(fù)。三、實(shí)驗(yàn)方法步驟（1）對(duì)于電磁鐵的磁化電流IM為定值（相應(yīng)有一個(gè)確定的磁場(chǎng)B，參見(jiàn)儀

6、器上標(biāo)簽），取10種不同的工作電流 IS（010mA），測(cè)量相應(yīng)的霍爾電壓VH，共測(cè)量5個(gè)工作點(diǎn)（Bi，i=1，2，3，4，5），具體如下：BiISVH斜率RHBd+ Bi+ ISVH1- ISVH2- Bi+ ISVH3- ISVH4（2）對(duì)于每個(gè)Bi，橫坐標(biāo)取工作電流IS，縱坐標(biāo)取霍爾電壓VH，理論上得到一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)“0”的傾斜直線，計(jì)算其斜率RHBd，求其平均值；根據(jù)己知的B和d（0.2mm），求得其霍爾系數(shù)RHi。（3）計(jì)算五個(gè)工作點(diǎn)的霍爾系數(shù)平均值。（4）根據(jù)和己知載流子的電量e，可求得載流子濃度n。四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與思考題樣品尺寸：L=6mm b=3mm d=0.2mm IA

7、B=1mA VAB=150mV B=0.43T正向: 平均霍爾電壓 霍爾系數(shù) =0.17cm3/C 電導(dǎo)率 =0.67/cm反向: 平均霍爾電壓 霍爾系數(shù) =0.18cm3/C 電導(dǎo)率 =0.67/cm 霍爾遷移率 =0.12cm2/C 由于正、反向測(cè)出樣品的霍爾系數(shù)為正，可以判斷樣品為P型。實(shí)驗(yàn)二 MOS結(jié)構(gòu)高頻CV特性測(cè)試分析MOS結(jié)構(gòu)高頻電容-電壓特性（簡(jiǎn)稱CV特性）測(cè)量是檢測(cè)MOS器件制造工藝的重要手段。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)測(cè)量MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性，確定二氧化硅層厚度dOX、襯底摻雜濃度N等參數(shù)一、實(shí) 驗(yàn) 原 理MOS結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，它類(lèi)似于金屬和介質(zhì)形成的平板電容器。但是a.MO

8、S結(jié)構(gòu)示意圖 b.等效電路 圖1.2 p-Si MOS結(jié)構(gòu)C-V特性圖1.1 MOS結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路 ，由于半導(dǎo)體中的電荷密度比金屬中的小得多，所以充電電荷在半導(dǎo)體表面形成的空間電荷區(qū)有一定的厚度（微米量級(jí)），而不象金屬中那樣，只集中在一薄層（01nm）內(nèi)。半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的厚度隨偏壓VG而改變，所以 （1）式中QG是金屬電極上的電荷面密度，A是電極面積?？紤]理想MOS結(jié)構(gòu)，所謂理想情形，是假設(shè)MOS結(jié)構(gòu)滿足以下條件：（1）金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差為零，（2）SiO2絕緣層內(nèi)沒(méi)有電荷，（3）SiO2與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。偏壓VG一部分降在SiO2上，記作VOX，一部分降在半導(dǎo)體表面空

9、間電荷區(qū)，記作VS，即 VG=VOX+VS （2）VS又叫表面勢(shì)?？紤]到 （3）式中Qsc是半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電荷面密度。將（2）、（3）代入（1）式， （4）（4）式表明MOS電容由COX和Cs串聯(lián)而成，其等效電路如圖1.1（b）所示。其中COX是以SiO2為介質(zhì)的氧化層電容，它的數(shù)值不隨改變；Cs是半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電容，其數(shù)值隨VG改變，因此 （5）式中r0是SiO2相對(duì)介電常數(shù)。P型襯底理想MOS結(jié)構(gòu)高頻電容-電壓特性曲線如圖1.2所示。圖中V代表偏壓。最大電容CmaxCOX，最小電容Cmin和最大電容Cmax之間有如下關(guān)系 （6） VS=0時(shí)，半導(dǎo)體表面能帶平直，稱為平帶。平帶時(shí)

10、的MOS電容稱為平帶電容，記為CFB。對(duì)于給定的MOS結(jié)構(gòu)，歸一化平帶電容由下式給出： （7）顯然，對(duì)于理想MOS結(jié)構(gòu)，VFB=0?？紤]實(shí)際的MOS結(jié)構(gòu)。由于SiO2中總是存在電荷（通常是正電荷），且金屬的功函數(shù)Wm和半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws通常并不相等，所以 VFB一般不為零。若不考慮界面態(tài)的影響，有 （8）式中QOX是SiO2中電荷的等效面密度，它包括可動(dòng)電荷QI和固定電荷Qfc二部分?！暗刃А笔侵赴裇iO2中隨機(jī)分布的電荷對(duì)VFB的影響看成是集中在Si-SiO2界面處的電荷對(duì)VFB的影響。Vm-s是金屬-半導(dǎo)體接觸電勢(shì)差， （9） 圖1.3 p-Si MOS結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性 對(duì)于鋁柵p型S

11、i MOS結(jié)構(gòu)，Vm-s0, QOX通常也0(正電荷),所以VFB0,如圖1.3中的曲線所示.作為對(duì)比,圖中還化出了相應(yīng)的理想曲線(曲線0).利用正、負(fù)偏壓溫度處理的方法（簡(jiǎn)稱BT處理）可將可動(dòng)電荷QI和固定電荷Qfc區(qū)分開(kāi)來(lái)。負(fù)BT處理是給樣品加一定的負(fù)偏壓（即VG0）,同時(shí)將樣品加熱到一定的溫度.由于可動(dòng)電荷(主要是帶正電的Na+離子)在高溫下有較大的遷移率,它們將在高溫負(fù)偏壓下向金屬 - SiO2界面運(yùn)動(dòng).經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間,可以認(rèn)為SiO2中的可動(dòng)電荷基本上全部運(yùn)動(dòng)到金屬 - SiO2界面處保持偏壓不變，將樣品冷卻至室溫，然后去掉偏壓，測(cè)量高頻C-V特性，得到圖3中的曲線2。由于這時(shí)可動(dòng)電

12、荷已經(jīng)全部集中到金屬- SiO2界面處，對(duì)平帶電壓沒(méi)有影響了，根據(jù)（8）式可得 （10）若Vms已知，由式（10）可以確定SiO2中的固定電荷 （11）改變偏壓極性，作正BT處理。加熱的溫度和時(shí)間與負(fù)BT相同。正BT處理后，測(cè)量高頻C-V特性，得到圖3中的曲線3。由于這時(shí)可動(dòng)電荷已基本上全部集中到Si - SiO2界面處，所以VFB3中包括了QI和Qfc的影響。根據(jù)（8）和（10）式 （12）令由式（12）可確定可動(dòng)電荷面密度 （13）二、實(shí)驗(yàn)儀器 1、 測(cè)試臺(tái)（包括樣品臺(tái)、探針、升 溫和控溫裝置、水冷卻裝置等）；2、590型高頻C-V測(cè)試儀；3、軟件；4、微機(jī) 圖2.1 實(shí)驗(yàn)儀器示意圖三、實(shí)

13、驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性，確定二氧化硅層厚度dOX、襯底摻雜濃度N和可動(dòng)電荷面密度QI等參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)步驟主要包括七個(gè)步驟: 打開(kāi)各儀器的電源,預(yù)熱10分鐘; 啟動(dòng)Metrics-ICS 設(shè)置IEEE-488(Setup GPIB) 設(shè)置測(cè)試儀器(Select Instrument) 設(shè)置測(cè)試條件(Edit test setup) 設(shè)置計(jì)算公式（如果有間接測(cè)量結(jié)果Transform editor） 執(zhí)行測(cè)試(Measure) 圖表分析、文件存檔和打印 以下將給出包括直觀性較強(qiáng)的界面在內(nèi)的詳細(xì)操作步驟:u 人、機(jī)安全注意事項(xiàng): A、操作之前，請(qǐng)注意將機(jī)器正確接地；B、檢修之前，請(qǐng)注意按

14、操作手冊(cè)將C-V測(cè)試儀與電源線及其它 設(shè)備斷開(kāi)；C、在測(cè)試儀器工作時(shí)，禁止觸摸儀器的端口。（詳細(xì)安全信息請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀操作手冊(cè)）(一) 打開(kāi)各儀器的電源,預(yù)熱10分鐘;(二) 啟動(dòng)Metrics-ICS: 圖4.1 Metrics-ICS窗口(二)設(shè)置IEEE-488(Setup GPIB)： 圖4.2這個(gè)對(duì)話框設(shè)置計(jì)算機(jī) 內(nèi)的IEEE-488板卡的屬性，如果是第一次運(yùn)行Metrics-ICS、或?qū)EEE-488板卡硬件如地址等屬性作了修改，必須填寫(xiě)這個(gè)對(duì)話框。在以后的測(cè)試過(guò)程中， 圖4.2 設(shè)置IEEE-488板卡 就不需要再做這一步了，而是直 接從設(shè)置測(cè)試儀器開(kāi)始。 (三)設(shè)置測(cè)試儀器(Se

15、lect Instrument): 設(shè)置測(cè)試儀器不是指加多少電壓啦、在哪里測(cè)電流啦等等諸如此類(lèi)的東西，而是指計(jì)算機(jī)要對(duì)哪臺(tái)儀器說(shuō)話（GPIB）、說(shuō)什么話（UNIT）。在知道這些信息之前是談不上加電壓測(cè)電流或加電流測(cè)電壓. 圖4.3 設(shè)置測(cè)試儀器(四)設(shè)置測(cè)試條件(Edit test setup):(1)點(diǎn)擊”New”為測(cè)試項(xiàng)目命名為SIM_CV: 圖4.4 為測(cè)試項(xiàng)目命名(2)點(diǎn)擊”Device”選擇測(cè)試器件:圖4.5 選擇測(cè)試器件 (3)設(shè)置器件端口:(3.1)設(shè)置輸入端:”Source Unite” “Source Units” “590.IN” “G” (3.2)設(shè)置輸出端:“590.O

16、UT” “B” “Done”圖4.6 設(shè)置待測(cè)器件端口(4)設(shè)置測(cè)試條件:點(diǎn)擊”O(jiān)UT”,在彈出菜單中(如圖4.7)設(shè)置掃描范圍內(nèi)、掃描步長(zhǎng)、延遲時(shí)間等參數(shù),完成后點(diǎn)擊圖4.6主窗口中的”DONE”.圖4.7 設(shè)置測(cè)試條件(五)設(shè)置計(jì)算公式（如果有間接測(cè)量結(jié)果Transform editor）:(1) 在”Tranform”中輸入計(jì)算公式(2) 存盤(pán):”Save”(3) 完成:”Done”(六)執(zhí)行測(cè)試(Measure):圖4.8 測(cè)試(七)圖表分析、文件存檔和打印:(1) 計(jì)算結(jié)果列表(Data review):圖4.9(2) 畫(huà)圖(Creat Plot):圖4.10 設(shè)置窗口(3) 文件存

17、檔(Save Project):(4) 打印(Print):四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、 由初始C-V曲線，可獲得Cmax和Cmin。利用式（5）和（6）可求出氧化層厚度 dox和襯底摻雜濃度N；2、 利用（7）式求出CFB；3、 由實(shí)驗(yàn)曲線確定VFB2、VFB3和VFB；4、 計(jì)算求出Vms；5、 利用式（11）和（13）分別求出Qfc和QI6、 如果Qfc和QI較大（1011cm2量級(jí)或更大），分析一下原因（如Si片清洗不干凈，氧化系統(tǒng)有沾污等），進(jìn)而提出改進(jìn)措施；7、如果C-V曲線形狀異常,可以配合界面態(tài)的測(cè)量來(lái)分析原因.實(shí)驗(yàn)三-單波長(zhǎng)橢偏法測(cè)試分析薄膜的厚度與折射率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諜E偏法的基本

18、原理，學(xué)會(huì)使用單波長(zhǎng)橢偏儀測(cè)硅襯底上透明膜厚度和折射率。二、實(shí)驗(yàn)原理1、偏振光的分類(lèi)偏振是各種矢量波共有的一種性質(zhì)。對(duì)各種矢量波來(lái)說(shuō)，偏振是指用一個(gè)常矢量來(lái)描述空間某一個(gè)固定點(diǎn)所觀測(cè)到的矢量波（電場(chǎng)、應(yīng)變、自旋）隨時(shí)間變化的特性。光波是一種電磁波，電磁場(chǎng)中的電矢量就是光波的振動(dòng)矢量，其振動(dòng)方向與傳播方向相垂直。電矢量在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)按一定的規(guī)律呈現(xiàn)非對(duì)稱的擇優(yōu)振動(dòng)取向，這種偏于某一方向電場(chǎng)振動(dòng)較強(qiáng)的現(xiàn)象，被稱為光偏振。正對(duì)著光的傳播方向觀察，電矢量的方向不隨時(shí)間變化，其大小隨著相位有規(guī)律地變化的光為線偏振光或者稱為平面偏振光，在與光的傳播方向相垂直的平面上，其軌跡為一條直線；若電矢量

19、的大小始終不變，方向隨時(shí)間規(guī)則變化，其端點(diǎn)軌跡為圓形，則為圓偏振光；若電矢量的大小和方向都隨時(shí)間規(guī)則變化，其端點(diǎn)軌跡呈橢圓形，則為橢圓偏振光。如果光呈現(xiàn)出各方向振福相等的特征，并不在某一方向的擇優(yōu)振動(dòng)，將這種光稱為自然光；將自然光與線偏振光混合時(shí)，呈現(xiàn)沿某一方向電場(chǎng)振幅較大，而與其正交的方向電場(chǎng)振幅較弱但不為零的特性，這種光為部分偏振光。2、偏振光的產(chǎn)生用于產(chǎn)生線偏振光的元件叫起偏器。用于檢驗(yàn)和分析光的偏振狀態(tài)的元件叫檢偏器。雖然兩者的名稱不同，但起偏器和檢偏器大都具有相同的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，在使用中可互換，僅根據(jù)其在光學(xué)系統(tǒng)中所扮演的角色而被賦予了不同的名稱。3、反射式橢圓偏振光譜測(cè)量的基

20、本原理（1） 偏振光學(xué)系統(tǒng)在橢偏儀中，偏振光束是通過(guò)一系列能產(chǎn)生特定偏振狀態(tài)的光學(xué)元件來(lái)進(jìn)行傳播的。在這方面，橢偏儀是屬于這樣一類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)，其中光的偏振表示了經(jīng)過(guò)此系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件處理過(guò)的光波的基本性質(zhì)。我們把這類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)稱為偏振系統(tǒng)，以區(qū)別于其他類(lèi)型的光學(xué)系統(tǒng)，即在其它許多系統(tǒng)中，受影響的是光波的某種性質(zhì)但不是它的偏振狀態(tài)。例如，在成象光學(xué)系統(tǒng)中，置放在光路中的光學(xué)元件對(duì)光波播前的振幅（強(qiáng)度）進(jìn)行變換。不同類(lèi)型的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的裝置有很大的不同，成象光學(xué)系統(tǒng)主要由透鏡和空間濾光片構(gòu)成。 而偏振光學(xué)系統(tǒng)則由起偏器、延遲器和旋光器組成。雖然按照光學(xué)系統(tǒng)所能處理的光波的基本性質(zhì)來(lái)劃分光學(xué)系統(tǒng)的方法是十

21、分吸引人的，但是，對(duì)于同時(shí)能使光波的一種以上性質(zhì)發(fā)生顯著變化的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般的描述辦法就有些困難了。（2）橢偏儀裝置的測(cè)量理論和分析橢偏學(xué)一般可定義為對(duì)偏振矢量波的偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量和分析的方法和系統(tǒng)。雖然光波偏振態(tài)的測(cè)量本身就具有重要意義，但利用橢偏測(cè)量的原理和方法，通?？色@得偏振態(tài)發(fā)生變化的“某光學(xué)系統(tǒng)”的有關(guān)信息。我們?cè)跈E偏學(xué)研究中所采取的一般方法是，作為探針的偏振光波能夠有控制地與待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用。這種相互作用將改變光波的偏振態(tài)（也十分可能引起其他性質(zhì)變化）。測(cè)量偏振的初態(tài)和終態(tài)，或反復(fù)測(cè)量適當(dāng)數(shù)目的不同初態(tài)，例如利用系統(tǒng)的瓊斯或米勒矩陣，便可確定所研究的系統(tǒng)對(duì)偏振光的變換規(guī)律

22、。 光學(xué)系統(tǒng)的瓊斯或米勒矩陣傳遞了該光學(xué)系統(tǒng)的有關(guān)信息，為了取得更基本的信息，就必須利用光的電磁學(xué)理論來(lái)研究該系統(tǒng)內(nèi)光與物質(zhì)的相互作用。換句話說(shuō)，要求研究偏振態(tài)變化的內(nèi)部過(guò)程，以弄清由瓊斯或米勒矩陣所描述的光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)變化究竟來(lái)源于哪些內(nèi)部機(jī)理。 通用橢偏儀的工作布局圖如圖1所示。來(lái)自合適的光源L的準(zhǔn)直性能優(yōu)良的單色光或準(zhǔn)單色光，經(jīng)可調(diào)起偏器P產(chǎn)生已知的偏振態(tài)可控的光束。這束光與待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)（S）相互作用，從而使光束偏振態(tài)發(fā)生變化。利用其后連有探測(cè)器D的可調(diào)檢偏器A，來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)輸出端的偏振態(tài)的變化。 圖4普通橢偏儀的工作布局。L、P、S、A和D分別代表光源、可調(diào)起偏器、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、可調(diào)檢偏

23、器和光電探測(cè)器。 現(xiàn)在假定光波與光學(xué)系統(tǒng)間的相互作用是線性的，并且無(wú)頻率變化，光學(xué)系統(tǒng)可通過(guò)下面的一種或幾種過(guò)程而是作為探針的光波偏振態(tài)發(fā)生變化： (1). 反射或折射：當(dāng)光波在兩個(gè)不同的光學(xué)媒質(zhì)界面上發(fā)生反射或折射時(shí)，偏振態(tài)會(huì)發(fā)生突變。這種變化的原因是，對(duì)于與入射面相平行（p）和垂直（s）的兩種線偏振光分別有不同的菲涅耳反射或透射系數(shù)。 (2). 透射：當(dāng)一束光通過(guò)一各向異性媒質(zhì)（折射率、吸收率或兩者，均存在各向異性）時(shí)，其偏振態(tài)將連續(xù)變化。 (3). 散射：當(dāng)光波穿過(guò)因存在散射中心而其折射率具有空間不均勻性的媒質(zhì)時(shí)，便發(fā)生散射，就像在氣旋體與乳狀液中那樣。反射和透射并不明顯影響原光束的準(zhǔn)直

24、性，但散射不同于它們，通常伴隨著散射能量在一大的立體角范圍內(nèi)重作分布現(xiàn)象。 根據(jù)改變光波的偏振態(tài)的作用方式，可將橢偏測(cè)量方法分為： (i) 反射或表面橢偏測(cè)量法 (ii) 透射橢偏測(cè)量法（偏振測(cè)量法）。圖1 普通橢偏儀的工作布局。L、P、S、A和D分別代表光源、可調(diào)起偏器、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、可調(diào)檢偏器和光電探測(cè)器?，F(xiàn)在假定光波與光學(xué)系統(tǒng)間的相互作用是線性的，并且無(wú)頻率變化，光學(xué)系統(tǒng)可通過(guò)下面的一種或幾種過(guò)程而是作為探針的光波偏振態(tài)發(fā)生變化： (1). 反射或折射：當(dāng)光波在兩個(gè)不同的光學(xué)媒質(zhì)界面上發(fā)生反射或折射時(shí)，偏振態(tài)會(huì)發(fā)生突變。這種變化的原因是，對(duì)于與入射面相平行（p）和垂直（s）的兩種線偏振光

25、分別有不同的菲涅耳反射或透射系數(shù)。 (2). 透射：當(dāng)一束光通過(guò)一各向異性媒質(zhì)（折射率、吸收率或兩者，均存在各向異性）時(shí)，其偏振態(tài)將連續(xù)變化。 (3). 散射：當(dāng)光波穿過(guò)因存在散射中心而其折射率具有空間不均勻性的媒質(zhì)時(shí)，便發(fā)生散射，就像在氣旋體與乳狀液中那樣。反射和透射并不明顯影響原光束的準(zhǔn)直性，但散射不同于它們，通常伴隨著散射能量在一大的立體角范圍內(nèi)重作分布現(xiàn)象。 根據(jù)改變光波的偏振態(tài)的作用方式，可將橢偏測(cè)量方法分為： (i) 反射或表面橢偏測(cè)量法 (ii) 透射橢偏測(cè)量法（偏振測(cè)量法）(iii) 散射橢偏測(cè)量法。 值得指出是，雖然許多測(cè)量方法的基本原理都相同，但上述分類(lèi)卻對(duì)應(yīng)于三種性質(zhì)各異

26、的研究領(lǐng)域，它們彼此之間存在著很大的差別。 利用探測(cè)光隨偏振態(tài)（方位角、相位延遲或入射角）變化的規(guī)律建立了光度橢偏測(cè)量法。由光度橢偏儀得到的原始數(shù)據(jù)包括在預(yù)定條件下取得的光強(qiáng)度（光流）信號(hào)。 光度橢偏儀分成靜態(tài)光度橢偏儀和動(dòng)態(tài)光度橢偏儀。對(duì)于靜態(tài)光度橢偏儀，待測(cè)信號(hào)（通常是直流信號(hào)，除非用斬光器切斷光源光束）是在橢偏儀各元件的預(yù)定位置處被記錄下來(lái)，即在P、C、A與的特定值下記錄。使用動(dòng)態(tài)光度橢偏儀，則讓參量P、C、A與中的一個(gè)或幾個(gè)隨時(shí)間作周期變化，而后對(duì)待測(cè)信號(hào)作傅里葉分析。（3）反射式光度型橢圓偏振光譜測(cè)量的基本原理菲涅爾公式表明，對(duì)于兩種光學(xué)各向異性的均勻媒質(zhì)構(gòu)成的理想光學(xué)界面(如圖2所

27、示)，當(dāng)入射光在該界面發(fā)生反射或折射時(shí)，其反射波或透射波的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變。這種變化的根本原因在于：與入射面平行和垂直的兩個(gè)線偏振光分別有不同的菲涅爾反射或透射系數(shù)。這就是橢圓偏振光學(xué)測(cè)量的物理依據(jù)。圖2. 光束在兩介質(zhì)界面的反射和折射圖設(shè)兩個(gè)復(fù)反射系數(shù)和分別代表s和p方向上的反射和入射光束的電場(chǎng)矢量復(fù)振幅之比，即： sRpRsisisrsserEER= （1）pisiprpperEER= （2）式中r為反射波的電矢量（rpE）振幅和入射波電矢量(iE)振幅之比，則為經(jīng)過(guò)反射后電矢量產(chǎn)生的相移，其中下s和p分別表示垂直（S）和平行（P）入射面的兩個(gè)分量。如果入射波的偏振態(tài)是任意的(即偏振態(tài)包含

28、S、P兩個(gè)偏振成分)，則反射波的合成偏振態(tài)將不同于入射波的偏振態(tài)，這是S和P兩個(gè)偏振分量具有不同菲涅爾反射系數(shù)的緣故?；谶@一原理，反射法測(cè)量橢圓偏振光是通過(guò)測(cè)量入射波和反射波的偏振態(tài)改變而求出P偏振和S偏振的菲涅爾反射系數(shù)的比值，由(1)和(2)兩式可得： ()spispsperrRR= （3）我們也可以將改寫(xiě)為：=ietan （4）即： spsprr=tan （5）式(5)中()20與( ) 20即為通常所說(shuō)的橢偏參數(shù)，此式可看作是對(duì)橢偏參數(shù)的定義。和分別反映了光與物質(zhì)相互作用后，和震動(dòng)分量的振幅和相位發(fā)生的變化，它們是實(shí)驗(yàn)上可被測(cè)量的物理量，其數(shù)值可通過(guò)測(cè)量和分析橢圓偏振光強(qiáng)的變化得到。

29、需要說(shuō)明的是，實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)反射率不僅取決于被研究材料自身的光學(xué)性質(zhì)，而且還依賴于實(shí)驗(yàn)條件，如入射光的波長(zhǎng)和入射角、樣品表面的粗糙度等條件，式(5)將系數(shù)與實(shí)驗(yàn)上可直接測(cè)量的量和聯(lián)系起來(lái)，從原理上講，在已知被研究系統(tǒng)本身的物理參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件后，該系統(tǒng)的和可以被確定。然而，橢偏參數(shù)與所需確定的光學(xué)常數(shù)之間的聯(lián)系還依賴于材料的結(jié)構(gòu)和所采用的反射式光學(xué)系統(tǒng)的模型。通常，當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果吻合得較好時(shí)，便認(rèn)為所選擇的模型是較合適的。在橢圓偏振實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，先精確測(cè)量出橢偏參數(shù)和，然后按照由理想的光學(xué)各向異性樣品與透明環(huán)境媒質(zhì)組成的兩相模型，按下式來(lái)確定樣品的復(fù)介電常數(shù)： 上式中由式(6)決定，和分別為環(huán)境媒質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)和探測(cè)光束的入射角。 由此可見(jiàn)，在橢圓偏振