微电子、光电子技术的快速发展,对半导体器件的集成度及光电器件的性能提出了更高的要求。而器件性能与半导体材料的掺杂和输运特性等密切相关,半导体材料的特性分析需要通过精密检测有关参数来获得。常用的接触测量法虽然精度较高,但对器件有一定的损伤性,传统光学法易受探测光源波动和噪声影响,检测灵敏度和精度较低,难以满足半导体材料特性参数精确检测的需求。考虑到光腔衰荡法对腔内介质吸收损耗有极高的测量灵敏度,结合半导体材料的吸收特性,有望应用于半导体材料特性参数的测试研究中,这对于拓宽半导体材料检测方式和提高检测精度具有重要的指导意义。本文围绕光腔衰荡法在半导体材料特性测量中的应用开展研究,主要研究内容如下:首先,从光束传输特征矩阵出发,建立了空腔和测试腔的光学谐振腔理论模型,推导了半导体材料掺杂浓度和电阻率的计算公式,建立了对称共焦腔和一般稳定腔下样品失调误差模型。仿真分析了加入样品前后的腔信号特性,包括腔透射率、腔透射信号、腔衰荡信号以及腔衰荡时间常数,分析了腔结构参数和样品特性参数对腔内信号特性的影响,最后分别对两种谐振腔下样品失调引起的光束偏移进行了研究。其次,针对传统半导体硅片材料特性测量问题,研究了基于光腔衰荡法的测量方案。根据谐振腔稳定条件和仿真结果计算了测量系统的关键参数,确定了谐振腔结构参数和样品基本特性参数。根据系统的性能要求进行了器件选型,搭建了光腔衰荡测量系统,获得了腔衰荡信号。然后,利用统计分析法对腔衰荡信号进行处理,提高了数据处理的效率和精度。拟合出不同腔长下空腔和测试腔的腔衰荡时间常数,得到了空腔的腔损耗和腔镜反射率值,腔镜反射率测量值与出厂值基本一致,证实了测量系统的可靠性。进一步计算得到了不同腔长下不同样品厚度的掺杂浓度和电阻率值,并进行了误差分析。最后,对半导体材料的输运特性进行了探索研究,根据载流子的产生与复合理论,结合载流子输运方程,推导了一维和三维情况下过剩载流子浓度的解析表达式,得到了载流子输运参数与腔衰荡信号的函数关系。仿真分析了载流子输运参数和激励光波长等参数对腔衰荡信号的影响,从理论上证实了该技术在半导体材料输运特性研究方面的潜力。