Способ определения положения светящегося объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении координатно-чув- ствительных систем с частотным выход- ным сигналом.

Целью изобретения является повышение точности и помехозащищенности за счет использования зависимости частоты колебаний фототока от координат светящегося объекта в полупроводниковой пластине.

На фиг 1 представлено устройство для осуществления способа определения положения светящегося объекта; на фиг. 2 - график зависимости частоты колебаний тока, протекающего через активный элемент, от координаты светящегося объекта для трех различных значений угла об.

Устройство содержит активный элемент в виде полупроводниковой пластины 1, которая расположена между полюсами магнита 2 и 3. Полупроводниковая пластина 1 выполнена в виде усеченной четырехгранной прямой призмы, на основании и секущей грани которой расположены электрические контакты 4 и Ь соответственно. Пластина 1 расположена между полюсами магнита 2 и 3 так, что вектор напряженности магнитного поля Н(( перпендикулярен основанию с контактом 4. Грани пластины 1, имеющие форму трапеций 6 и 7, выполнены с малой и большой скоростями по3

верхностной рекомбинации носителей тока соответственно. Световое пятно 8 является изображением исследуемого светящегося объекта и имеет возможность перемещения вдоль оси X от 0 . До 1.

Для обеспечения рабочего режима контакт 4 подключен к входу 9 устройства, на который подается напряжение питания. Контакт 5 соединен с выхо- . дом 10 устройства и первым выводом нагрузочного резистора 11, второй вывод которого подключен к общей шине.

Для регистрации положения светящегося объекта используется экспериментально обнаруженная существенная зависимость частоты колебаний тока в условиях развитой винтовой неустойчивости в полупроводниковой пластине от области локального освещения сильнопоглощаемым излучением при градиент- ном распределении электрического поля.

При подаче на вход 9 устройства питающе.го напряжения в полу проводки-

5

0

5

„

0

ковой пластине 1 формируется градиентное электрическое поле Е. Градиент напряженности электрического поля Е определяется заранее заданной формой и соотношением геометрических размеров полупроводниковой пластины 1. Значение Е в каждой точке пластины 1 может быть представлено как сумма параллельной Е.. и перпендикулярной Ег вектору напряженности магнитного поля Нд составляющих (Е Е ц + Е). Действие напряженности Е на носители тока в пластине 1 является результирующим действием составляющих Е|( и Е, т.е. поведение носителей тока в пластине 1 можно рассматривать как одновременное их движение в скрещенных Е х Н ц и параллельных Е t (I H (| электрических и магнитных полях, где магнитное поле Н (( создано магнитами 2 и 3.

Действие скрещенных электрического и магнитного полей Ej x H ц на носители тока приводит к появлению градиента концентрации в пластине 1 за счет магнитоконцентрационного эффекта. v

-9 т

Направление составляющих Ej и Н ц выбирается таким образом, чтобы отклонение носителей тока под действием силы Лоренца происходило в сторону i-грани 6 с малой скоростью поверхностной рекомбинации S0. В результате электроны и дырки будут накапливаться около грани 6, где их концентрация станет выше равновесной. Концентрация носителей тока возле грани 7 с большой скоростью поверхностной рекомбинации S останется равной равновесной за счет высокой скорости генерации носителей тока на поверхности.А поскольку магнитоконцентрационный эффект - эффект размерный, для его реализации (а следовательно, и для работы устройства) выбрана полупроводниковая пластина 1 толщиной, сравнимой с диффузионной длиной неосновных носителей тока.

Действие параллельных электрического и магнитного полей ЕцННц на носители юка приведет к появлению колебаний тока синусоидальной формы в пластине 1 (винтовая неустойчивость). При этом пространственно-неоднородное распределение электронно-дырочной плазмы в пластине 1 значительно снижает порог возбуждения винтовой неустойчивости.

Колебания тока в полупроводниково пластине 1 вызывают колебания напряжения на нагрузочном резисторе 1 1 и регистрируются на выходе 10 устройства.

Изображение исследуемого светящегся объекта проецируется на грань 6 с SQ пластины 1 в виде светового пятна 8. При движении светового пятна 8 вдоль пластины 1 происходит изменени частоты колебаний тока, протекающего через пластину 1, и изменение частоты сигнала на выходе 10. Каждому положению светового пятна 8 вдоль выбран ного направления на грани 6 соответсвует свое значение частоты колебаний f на выходе 10, по которому и судят о положении светящегося .

лась

0

таллах n-Ge с концентрацией примесей (2,5 + 4) i . Изготовлены образцы 5 типов, отличающиеся углом при вершине fti секущей грани с контактом 5. Толщина всех образцов составляла 0,3 мм, ширина 3 мм, минимальное расстояние между контактами 6 мм. Угол 0

, № 2 -О30в, № 3 - , а- -г - «и , № 5 - 80 . Для получения грани 7 с большой S поверхность шлифовалась мелким абразивом (М5), в результате чего достигнуто см/с. Противоположная грань 6 полироваи

&

образца № 1 - 20е

( 7 с

45° , № 4 - 60°

травилась в кипящей перекиси

.

водорода для создания S0 5 Контакты изготавливались вплавлением олова и проверялись на омичность по вольт-амперным характеристикам. Иэлу

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и помехозащищенности за счет использования зависимости частоты колебания фототока от координаты светящегося объекта в полупроводниковой пластине. Для определения положения светящегося объекта в полупроводниковой пластине 1 с электрическими контактами 4, 5 формируют градиентное электрическое поле Г путем задания формы пластины. Поме- щают пластину в продольное магнитное поле. Освещают поверхность полупроводниковой пластины световым лучом, световое пятно 8 на поверхности пластины является проекцией исследуемого объекта. Перемещают луч в направлении максимального градиента электрического поля и измеряют частоту колебаний тока, протекающего через пластину. Устройство содержит магнит, в поле которого расположена полупроводниковая пластина, выполненная в виде усеченной четырехгранной прямой призмы, что позволяет создать в пластине градиентное электрическое поле. Противоположные широкие грани пластины, имеющие форму трапеций, выполнены-соответственно с большой и.малой скоростями поверхностной рекомбинации носителей тока. Толщина пластины сравнима с диффузионной длиной неосновных носителей тока. Угол между основанием и секущей гранью 30-60°. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. с & (Л с 05 со ю СЭ со фиг 1

Изменение частоты f может быть выз-20 чение создавалось гелий-неоновым лавано одновременным действием ряда - причин. Световое пятно 8 сильнопоглощаемого излучения генерирует на грани 6 электронно-дырочные пары, которые увеличивают проводимость и шунтируют электрическое поле в пластине 1 (в освещенной части ее). В результате происходит перераспределение элек- трического поля в пластине 1 и частота осцилляции изменяется. Причем частота осцилляции зависит от координат светового пятна 8, так как пятно 8 перемещается вдоль градиента электрического поля и в различных областях пластины 1 шунтируются различные значения электрического поля.

Кроме того, локальная генерация электронно-дырочных пар в области светового пятна 8 приводит к еще более неоднородному распределению плазмы в пластине 1, что также изменяет частоту осцилляции тока, вследствие изменения пороговых условий возбуждения винтовых волн. При этом вклад носителей тока в коллективные процессь; иудет зависеть от области их зарождения, .т.е.от кординат светового пятна 8, так как в пластине существует градиент электрического поля. Действие указанных эффектов может быть существенным в условиях магнитоконцентрационного эффекта, когда сила Лоренца препятствует диффузии генерируемых на грани 6 носителей тока вглубь пластины 1.

Пример. Исследование зависимости частоты колебаний тока, протекающего через полупроводниковую пластину 1, от положения светового пятна 8 проводилось на неориентированных крисзером ЛГН-203 с Л 0,63 мкм и .проецировалось на грань 6 в виде светово- го пятна 8 диаметром 1 мм при помощи световода, который микрометрическим

винтом перемещался вдоль грани 6. Измерения проводились при комнатной температуре в импульсном режиме и в режиме постоянного тока. В первом случае длительность импульса составляла

ЮО мкс, частота повторения импульсов 60 Гц. Выходной сигнал обрабатывался стробоскопическим осциллографом С7-12 и регистрировался на самописце.

Результаты измерений при Н({ 3,5 кЭ, Еср 40 В/см (где Еср 5

среднее значение напряженности электрического поля в пластине) представлены на фиг. 2. Образцу № 2 соответ- Q ствует кривая 12, № 3 - 13, № 4 - 14. Для образца № 5 (&(. 80 ) существенной зависимости частоты колебаний тока от координаты светового пятна 8 не обнаружено, что связано с малой величиной градиента электрического поля в пластине 1. В образце № 1 не удалось возбудить устойчивые осцилляции тока вследствие джоулевого разогрева полупроводниковой пластины 1. Это вызвано тем, что уменьшение угла 0 при постоянном минимальном расстоянии между контактами 4 и 5, приводит к росту среднего расстояния между контактами 4 и 5. Поэтому для поддержания постоянного значения Е , необходимо увеличивать напряжение питания, что приводит к увеличению максимального значения Е в образце (в области минимального расстояния между контактами 4

0

5) и ины 1

71631269

вызывает джоулев разогрев пласлоще п ны пл н т с а дл о ц щ а ч т р н а ны в н

Формула изобретения

8

0

п 5 о

/

нГц 2001

150

100

50

г ц

фиг. 2

6 X, мм