本发明属于应用红外线、可见光研究或分析材料的领域，特别是一种半导体材料的非平衡载流子寿命的测量方法。 现有的测量寿命的方法大多都是基于光电导衰减原理。使用最多的是光电导衰退法。所用样品类似光电导器件，还要做电极。后来改为用微波来测量伴随光生载流子而增加的电导，把样品放在微波腔里，有透射法，也有反射法，微波方法的测量结果和光电导衰退法一致，但这方法实验设备仍然复杂，且灵敏度不够，为了便于观察信号，光注入往往较强，被注入的载流子在能带中填充到很高的状态。但非平衡载流子寿命的能量的函数，所以现有方法测得的是大信号寿命，而不是光电器件需要的小信号寿命。微波反射法参考资料为：M.C.Chen，Photconductivity life time measurements on HgCdTe using a contact less microwave technique，Journal of Applied Physics，Vol.64.945（1988）。
本发明的目的是提供一种新地测量半导体非平衡载流子寿命的方法。不仅对被测样品的制作无严格要求，而且可以研究各种能量状态下的载流子寿命，更可以检查样品的均匀性。既能作为关于半导体中非平衡载流子弛豫过程基础研究的新的实验方法，又能作为半导体材料鉴定的新的手段。
众所周知，半导体的红外的反射谱R（ω）可以用经典的振子模型来描写，以N型材料为例：
R(ω)=(n-1)2+k2(n+1)2+k2(1)]]>
E(ω)=(n+ik)2=E1+iE2=E∞+ΣjSjω2jωj2-ω2-iΓjω-E∞ωP2ω2+iypω(2)]]>ωp2=4πNee2E∞m5*(3)]]>
其中n和k分别是折射率和消光系数，E1和E2是介电函数E（ω）的实部和虚部，E∞是所有带间跃迁项的贡献，ωj，Sj和Гj是振子频率、强度和阻尼，ωp和γp是等离子体频率和阻尼，Ne是电子浓度，e是电子电荷，m＊s是电子有效质量的能带平均值。显然反射谱和ωp有关，当然也和Ne有关。
下面先对本发明附图作一说明。
图1为某半导体样品的两条反射谱，其特点是在低频端有一个反射率极小，此处E1＝1。频率再降低时，反射率急剧上升，直至接近全反射，此时E1＝0。我们把0＜E1＜1区间内的反射谱称为反射边。图中点2所在谱的Ne略大于点1所在的谱。设有照射激光照到样品上，其光子频率ω正好在点1所处频率，这时反射率由点1处给出，约为30%，再设此时样品受到某种突然的外来激发光束激发，使其载流子浓度Ne增加。由于固有的载流子弛豫过程，经过一段由寿命表征的时间以后Ne才达到新的数值。与此同时，反射谱也演变成新的谱，即点2所处的谱，样品对入射光的反射率就由点2给出，约60%。如果外来激发光束突然消失，Ne经过一段时间后又变成原来的数值，反射谱自然也由新谱变成旧谱。反射率又恢复到原先的数值。从图1可以看到这种周期性的过程，显然反射光强4中包含了非平衡载流子弛豫过程的信息，其反射谱的移动由3表示，进一步，依次测量一系列强度递减的激发中相邻的两激发强度之间的弛豫过程，就可以研究从高能态到低能态的弛豫时间变化。
图2为测量过程光照示意图，图中5是照射激光束，6是激发光束，7是反射光激光束。
图3是对77K的Hg0.8Cd0.2Te样品的计算所得的反射率变化的弛豫过程。
图4是激发光束6照射时间或小于寿命时的对77K的Hg0.8Cd0.2Te样品计算所得的反射率变化的弛豫过程。
图5是图4中反射率的交变成份的幅度与激发束照射时间的关系。图中的曲线是针对第100个光照周期计算结果。
下面结合附图对本发明作详细阐述。
本发明提供了一种测量半导体非平衡载流子寿命的方法，其步骤是：
首先，准备激发光束6和用激发光束6去照射样品，激发光束6具有两个或两个以上的强度等级，能在半导体中产生光生载流子，其各级强度的设定依据所需的光生载流子浓度而定，激发光束6的强度能依次在相邻二个强度之间切换，切换时间应远小于载流子寿命。
再利用反射谱的极小值来确定光生载流子浓度Ne;用已知的照射激光束5去照射样品，并测量其反射激光束7的强度，同时用激发光束6照射样品并调整其强度，利用光生载流子浓度的增减可以移动反射谱上的反射边的位置，设激发光束6的强度达到1时，反射极小移动到照射激光束5的频率，此时反射激光束7的强度最小，照射激光束5的频率即反射极小的频率ωmin，也是dR/dω＝0的位置。这里R为反射率，ω为频率。对于常用的半导体，如碲镉汞、锑化铟，砷化铟，砷化镓，E∞和振子参数都是已知的，（2）式中未知的参数只有ωp和γp，这样可根据（1）至（3）式计算出等离子体频率ωp和等离子体阻尼γp，当反射极小的频率ωmin远大于振子频率时，反射极小值接近于零，用近似式求出等离子体频率ωp：
ω2p＝ω2min（1-1/EDO） （4）
因为（3）式中的Ne和m＊s都是费米能级Ef的函数，通过逐次迭代法从ωp算出Ef，得到Ef，即可算出Ne，假设此时Ne＝N。同理，若用另一光子频率略高的照射激光束5去照射样品，当激发光束强度达到lo+ls时，重新出现反射极小，且可以算出Ne＝No+Ns。
现在假定激发光束6的强度在lo和lo+ls间突然切变：
则光生载流子浓度Ne由下式给出：
（5）与（6）式表明，当激发光束6光强突然由一个强度切换到相邻的较高强度时，光生载流子浓度在弛豫过程中增长，反射边也同步地向高频方向移动，反射激光束7的光强相应增长;由于光伏探测器的响应时间短于材料中非平衡载流子的寿命，故可用光伏型探测器去接收反射光束7的光强变化，经宽带放大器放大后在示波器上显示并存贮;当激发光束6突然返回较低的强度时，光生载流子浓度在弛豫过程中衰减，这个逆过程亦在示波器上显示存贮。
然后，把（6）式给出的载流子浓度代入（3）至（1）式，把τ作为可调参数去拟合示波器上存贮的反射激光束7的强度的时间变化从而求得τ。
在（5）与（6）式中，No和Ns为对应于光强lo和ls的光生载流子浓度，T为照光时间。
作为一个实例，图3是对77K下的Hg0.8Cd0.2Te样品的计算结果。所用的振子参数取自对实测反射谱的拟合结果，列于表1。其他的参数是：γp＝10厘米-1，E∞＝12.6也取自拟合结果。计算中激发光束6取了四个强度，这四个强度分别能使样品对四个照射激光的反射达到极小，甲醇激光器在这四个频率有最强的输出。表2中列出了这些激光的波长以及从反射极小算出的ωp，还有各个激发强度之间的相对载流子浓度。图3中的曲线8是激发第二强度至第一强度之间的弛豫曲线。曲线9是激发第三强度至第一强度之间的弛豫过程。曲线10是激发第四强度至第一强度之间的弛豫曲线。用这些曲线去拟合实测弛豫曲线，便可求得相应弛豫过程中的寿命τ。
表1，77K时Hg0.8Cd0.2Te的振子参数
振子 频率ω（厘米-1） 强度S 阻尼「（厘米-1）
1 154.86 0.211 8.05
2 125.27 3.27 6.2
3 110.26 0.54 7.6
表2 甲醇激光器的四个最强的激光频率、以及样品对这四个激光的反射达到极小值时的ωp和相对载流子浓度
强度序列 激光频率（厘米-1） ωp（厘米-1） 相对浓度
1 61.3 68 1
2 84.2 100 1.162
3 175.4 125 2.379
4 214.1 184 6.321
本发明中所说的激发光束7的设计，也可以是使激光强度稳定在底光照，用另一束频率和底光照一致或不一致的辅助光去照射样品产生光生载流子浓度Ns。
所说的激发光束6的交变成份可以是周期的或非周期的，可以是矩形的或三角形波型的，或正弦的，或梯型的调制光强。
所说的激发光束6可以是可见光或红外光，也可以是相干光或非相干光。
所说的激发光束6的强度具有一系列递变的强度，依次在强度递变的相邻两光强之间进行测量，可求得在一系列光生载流子浓度递变过程中相邻两浓度之间的寿命。
本发明所说的测量，可以是采用聚焦的光束进行，或非聚焦的光束进行。所说的测量是对样品表面的固定点进行，或在样品表面扫描测量更适用于检查样品均匀性。
本发明所说的样品可以是开禁带或另禁带半导体材料或薄膜材料。
如果测量系统无法显示和存贮如图3所示的反射光束信号，则可以选择另一测量方法。即周期性地切换激发束6，使lo和lo+ls状态的停留时间都是T，当时间T等于或小于寿命τ时，光生载流子的弛豫使得其变化跟不上激发光强的变化，请参阅图4，曲线11是激发光束第二强度到第一强度间的弛豫曲线，其T/τ＝0.2.曲线12是激发光束第三强度到第一强度间的弛豫曲线，其T/τ＝0.5。曲线13是激发光束第四强度至第一强度间的弛豫曲线，其T/τ＝1.0。反射光强的交流成份的幅度△R示出在图5中，图5中曲线是针对第100个光照周期计算而得。曲线14、15、16分别对应于图4中曲线11、12、13的弛豫过程。由图4可知，逐步缩短时间T，用中心频率的选频放大器放大f＝1/2T的信号，可以得类似图5所示的曲线，用τ作为可调参数，将此测量曲线与图5中计算的曲线比较，从二者满意的拟合中求得寿命τ。
本发明有如下积极效果及优点：本发明提出的方法对样品要求不高，是无损伤非接触测量。可以测量任何光电探测器材料中非平衡载流子寿命，也可以研究载流子在能带中从高能态向低能态逐步的弛豫过程。若采用焦光束在样品表面同步扫描，还可以检查样品均匀性，测量方法比微波测量简单，尤其是在低温下，容器壁上的透光窗。就可引入光束，而引入微波束则复杂得多。