СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА Российский патент 1994 года по МПК G01J5/50 

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано в измерительной технике, автоматике и оптической электронике.

Известны способы измерения интенсивности света по изменению тока, протекающего через полупроводниковый фоточувствительный элемент в темноте и при освещении [1] .

Из известных способов ближайшим является способ описанный [2] . В нем используется полупроводниковый фоторезистор с двумя омическими контактами, через которые пропускается ток от внешнего источника тока. Изменение тока через фоторезистор ΔI (в темноте и при освещении) пропорционально интенсивности светового потока падающего на фоторезистор. Поэтому измеряя ΔI (или ΔV на нагрузочном резисторе, включенном последовательно с фоторезистором) можно определить интенсивность света.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерения. Величина ΔI ≈ τ- времени жизни генерированных светом носителей заряда. Поскольку носители заряда возникают вблизи поверхности, на которой поглощается свет и скорость их рекомбинации велика, то двигаясь под действием электрического поля вдоль поверхности, часть носителей заряда рекомбинируют на ней, что приводит к уменьшению τ и ΔI. Следовательно, уменьшается и точность измерения, поскольку меньший сигнал регистрируется с меньшей точностью.

Цель изобретения - увеличение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что используется фоторезистор из полупроводника с проводимостью близкой к собственной, причем в процессе измерения фоторезистор помещается в магнитное поле, направленное параллельно освещаемой поверхности и перпендикулярно направлению тока, таким образом, что векторы светового потока, тока и магнитной индукции образуют правовращающую тройку ортогональных векторов. В этом случае на движущиеся вдоль поверхности носители заряда действует сила Лоренца, отклоняющая носители в глубь полупроводника от поверхности. Это приводит к уменьшению их рекомбинации на поверхности, увеличению τ и ΔI, что и обеспечивает увеличение точности измерения.

На чертеже представлено устройство для осуществления предлагаемого способа.

Оно содержит полупроводник 1 с омическими контактами 2-3. Направление магнитной индукции обозначено В, направление светового потока Ф.

Определение интенсивности производится следующим образом.

Пусть полупроводник 1 имеет дырочную проводимость (близкую к собственной) и темновой ток I_т от внешнего источника V протекает от контакта 2 контакту 3. Если на верхнюю поверхность такого фоторезистора падает поток света Φ, то в отсутствие магнитного поля (В = 0) генерированные светом неравновесные дырки под действием силы электрического поля F_е движутся вдоль поверхности к контакту 3, через фоторезистор протекает ток I_о, а величина фототока определяется как I_ф = I_o-I_т. Токовая чувствительность равна
S_i = (I_o-I_т)/ Φ= I_ф/ Φ. Включение магнитного поля с индукцией В приводит к появлению силы Лоренца, которая отклоняет дырки в глубь полупроводника. Время жизни неравновесных носителей при этом увеличивается, что приводит к увеличению общего тока I_ов, а следовательно и фототока I_фв = I_ов-I_тв. Следует отметить, что темновой ток фоторезистора в магнитном поле несколько уменьшается из-за действия эффекта магнитосопротивления, что также увеличивает I_фв. Увеличение I_фв и уменьшение I_тв с ростом магнитного поля приводит к увеличению фоточувствительности в магнитном поле
S_iв = (I_ов-I_тв)/ Φ= I_фв/Φ , а значит к увеличению выходного сигнала и точности измерения интенсивности. Необходимость использования полупроводника, близкого к собственному, обусловлена тем, что в нем ЭДС Холла мала. В полупроводнике далеком от собственного эта ЭДС велика, холловское электрическое поле направлено против силы Лоренца и компенсирует ее, отклонения неравновесных носителей вглубь полупроводника не происходит, поэтому фоточувствительность в магнитном поле не растет.

Опытная проверка способа измерения осуществлялась с использованием фоторезистора из германия, близкого к собственному с размером 1 х 1 х 5 мм и R = 2,5 кОм. При V = 2,5 В, I_т = 15 мА. Освещение фоторезистора от лампочки накаливания с постоянной величиной Φ увеличивало ток до I_о = 1,537 мА. Соответственно Si = 0,037 мА/отн. ед. Включение магнитного поля с В - 0,2 Тл уменьшало темновой ток до 1,49 мА и увеличивало общий ток I_ов до 1,56 мА, что приводило к увеличению фоточувствительности S_iв до 0,07 мА/отн. ед.

Таким образом, фоточувствительность увеличивалась в 2 раза. Во столько же раз увеличивается выходной сигнал с фоторезистора и точность измерения. Высокая чувствительность при таком способе измерения позволяет использовать его для обнаружения слабых оптических сигналов, что существенно для повышения точности систем оптической связи и локации.

Технология фотоприемника для осуществления способа измерения не отличается от стандартной и он может выпускаться любым заводом, производящим фоторезисторы. (56) И. Д. Анисимова и др. Полупроводниковые фотоприемники. М. : Радио и связь, 1984, с. 53-54.

Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов/Под ред. В. И. Стафеева, М. : Радио и связь, 1985. с. 18.

Сущность: способ измерения интенсивности света, заключающийся в использовании фоторезистора, состоит в том, что для повышения точности измерений полупроводниковый резистор помещают в магнитное поле, чувствительную поверхность полупроводникового резистора располагают параллельно потоку вектора магнитной индукции магнитного поля и перпендикулярно направлению потока через полупроводниковый фоторезистор, при этом вектор измеряемого светового потока, тока через полупроводниковый резистор и магнитной индукции образуют правую тройку взаимно ортогональных векторов, а полупроводниковый фоторезистор выбирают с проводимостью, близкой к собственной. 1 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА с помощью полупроводникового фоторезистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, полупроводниковый фоторезистор помещают в магнитное поле, чувствительную поверхность полупроводникового фоторезистора располагают параллельно потоку вектора магнитной индукции магнитного поля и перпендикулярно направлению тока через полупроводниковый фоторезистор, при этом векторы измеряемого светового потока, тока через полупроводниковый резистор и магнитной индукции составляют правовращающую тройку ортогональных векторов, а полупроводниковый фоторезистор выбирают с проводимостью, близкой к собственной.