Способ определения положения светящегося объекта и устройство для его осуществления

 

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. Помещают 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5:С Ol В 21!00

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ. Фе"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4443879/28 (22) 20.06 ° 88 (46) 28.02.91. Бюл. ¹ 8 (71) Институт полупроводников АН УССР (72) Б.И.Каплан, A. Г.Коллюх и В,К.Малютенко (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1274566, кл. Н 01 L 31/08, 1987. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ

СВЕТЯЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 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

„.Я0 „„ 61 2

2 путем задания формы пластины. Помещают 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 располржена полупроводниковая пластина, выполненная в виде усеченной четырехгранной прямой призмы, что позволяет создать в пластине градиентное электрическое поле. Противо- д положные широкие грани пластины, имеющие форму трапеций, выполнены соответственно с большой и малой скоростями оонерхностной рекомбинации носителей тока. Толщина пластины сравнима с диффузионной длиной неосновных носи- 2 телей тока. Угол между основанием и секущей гранью 30-60 . 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

М

1631269 4 ковой пластине 1 формируется градно- ентное электрическое поле Е. Гради--н ент напряженности электрического поля

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использ вано при построении координатно-чувствительных систем с частотным выходным 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 15 фиг. 2 — график зависимости частоты колебаний тока, протекающего через активный элемент, от координаты светящегося объекта для трех различных значений угла О, 20

Устройство содержит активный элемент в виде полупроводниковой пластины 1, которая расположена между полюсами магнита 2 и 3. Полупроводниковая пластина 1 выполнена в виде усеченной 25 четырехгранной прямой призмы, на основании и се кущей грани ко торой ра сположены электрические контакты 4 и

5 соответственно. Пластина 1 расположена между полюсами магнита 2 и 3 так что вектор напряженности магнитt ного поля Н, перпендикулярен основанию с контактом 4. Грани пластины 1, имеющие форму трапеций 6 и 7, выполнены с малой и большой скоростями поверхностной рекомбинации носителей тока соответственно. Световое пятно

8 является изображением исследуемого светящегося объекта и имеет возможность перемещения вдоль оси Х от 0 40 до 1.

Для обеспечения рабочего режима контакт 4 подключен к входу 9 устройства, на который подается напряжение питания. Контакт 5 соединен с выхо- 45 дом 10 устройства и первым. выводом нагрузочного резистора 11, второй вывод которого подключен к общей шине.

Для регистрации положения светящегося объекта используется эксперимен50 тально обнаруженная существенная зависимость частоты колебаний тока в условиях развитой винтовой неустойчивости в полупроводниковой пластине от области локального освещения силь>5 нопоглощаемым излучением при градиентном распределении электрического поля.

При подаче на вход 9 устройства питающего напряжения в полупроводниЕ определяется заранее заданной формой и соотношением геометрических размеров полупроводниковой пластины

1. Значение Е в каждой точке пластины

1 может быть представлено как сумма

-Ф параллельной Е и перпендикулярной Е вектору напряженно сти магнитного по-э ля Н> составляющих (Е = Е р + 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 скрещен-а Ф Е ных E> x Н и параллельных Е Н Н > электрических имагнитных полях, где магнитное поле H создано магнитами 2 и 3.

Действие скрещенных электрического и магнитного полей Е1 х Н1! на носители тока приводит к появлению градиента концеятрации в пластине 1 за счет магнитоконцентрационного эффекта.

-9 -В

Направление составляющих Е и Н ц выбирается таким образом, чтобы отклонение носителей тока под действием силы Лоренца происходило в сторону грани 6 с малой скоростью поверхностной рекомбинации S . 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 рекомби- . нации 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 электричес-. кого и магнитного полей Е Н 1 на носители тока 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.

16312

Колебания тока в полупроводниковой пластине 1 вызывают колебания напряжения на нагрузочном резисторе 11 и регистрируются на выходе 10 устрой5 ства.

Изображение исследуемого светящегося объекта проецируется на грань 6 с

Бо пластины 1 в виде светового пятна 8. При движении светового пятна 8 вдоль пластины 1 происходит изменение частоты колебаний тока, протекающего через пластину 1, и изменение частоты сигнала на выходе 10. Каждому положению светового пятна 8 вдоль выбранного направления на грани 6 соответствует свое значение частоты колебаний

f на выходе 10, по которому и судят о положении светящегося объекта.

Изменение частоты Г может быть выз- 20 вано одновременным действием ряда— причин. Световое пятно 8 сильнопоглощаемого излучения генерирует на грани 6 электронно-дырочные пары, которые увеличивают проводимость и шунти- 25 руют электрическое поле в пластине 1 (в освещенной части ее). В результате происходит перераспределение электрического поля в пластине 1 и частота осцилляций изменяется. Причем частота осцилляций зависит от координат светового пятна 8, так как пятно 8 перемещается вдоль градиента электрического поля и в различных областях пластины 1 шунтируются различные значения

35 электрическо го поля.

Кроме того, локальная генерация электронно-дырочных пар в области светового пятна 8 приводит к еще более неоднородному распределению плазмы в 40 пластине 1, что также изменяет частоту осцилляций тока, вследствие изменения пороговых условий возбуждения винтовых волн. При этом вклад носителей тока в коллективные процессы оудет

45 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 крис69

6 таллах и-Се с концентрацией примесей (2,5 + 4) 10 см . Изготовлены образцы 5 типов, отличающиеся углом при вершине 0С секущей грани с контактом 5.

Толщина всех образцов составляла

0,3 мм, ширина 3 мм, минимальное расстояние между контактами 6 мм. Угол ig образца N- 1 — 20, У 2 — 30, Р 3—

45, Ф 4 — 60, Р 5 — 80 . Для получения грани 7 с большой $ поверхность шлифовалась мелким абразивом (М5), в результате чего достигнуто S 10 см/с.

Противоположная грань 6 полировалась и травилась в кипящей перекиси водорода для создания Sä 5 ° 10 см/с.

Контакты изготавливались вплавлением олова и проверялись на омичность по вольт-амперным характеристикам. Излучение создавалось гелий-неоновым лазером ЛГН-203 с A = 0,63 мкм и .проецировалось на грань 6 в виде светового 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

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

Результаты измерений при HI(=

3,5 кЭ, E ср = 40 8/ñì (где Еср среднее значение напряженности электрического поля в пластине) представлены на фиг. 2. Образцу Ф 2 соответствует кривая 12, Р 3 — 13, У 4 — 14.

Для образца М - 5 (О(= 80 ) существенной зависимости частоты колебаний тока от координаты светового пятна 8 не обнаружено, что связано с малой величиной градиента электрического поля s пластине 1. В образце Ф 1 не удалось возбудить устойчивые осцилляции тока вследствие джоулевого разогрева полупроводниковой пластины 1. Это вызвано тем, что уменьшение угла К 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 йитания, что приводит к увеличению максимального значения Е. в образце (в области минимального расстояния между контактами 4

1631269 и 5) и вызывает джоулев разогрев пластины 1, Формула изобретения

1. Способ определения положения светящегося объекта, включающий помещение полупроводниковой пластины с электрическими контактами на торцах в магнитное поле, освещение световым лучом ее поверхности и измерение характеристик фототока, протекающего через пластину, при приложении электрического напряжения к контактам, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и помехозащнщенности, в полупроводниковой пластине формируют градиентное электрическое поле, пластину в магнитном поле ориен- 20 тируют так, чтобы вектор напряженности магнитного поля был параллелен вектору напряженности прикладываемого электрического поля, световой луч выбирают с длиной волны из области 5 собственного поглощения материала полупроводниковой пластины, перемещают световой луч в направлении максимального градиента электрического поля, при этом измеряют частоту коле- 30 баний фототока, по которой определяют положение светящегося объекта.

2. Устройство для определения положения светящегося объекта, содержащее магнит, между первым и вторым полюсами которого расположен активный элемент в виде полупроводниковой пластины с электрическими контактами на торцовых гранях, широкие грани которой выполнены с большой и малой скоростями поверхностной рекомбинации носителей тока соответственно, а толщина сравнима с диффузионной длиной неосновных носителей тока, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и помехоэащищенности при сохранении надежности, активный элемент выполнен в виде усеченной четырехгранной прямой призмы так, что грани с большой и малой скоростями поверхностной рекомбинации носителей тока имеют форму трапеций, а электрические контакты расположены на основании и секущей грани, угол наклона которой к основанию составляет ЗОО40(4 60, причем полупроводниковая призма расположена так, что ее основание параллельно поверхности торца первого полюса магнита, а секущая грань расположена к плоскости второго полюса магнита под углом, равным углу наклона секущей грани призмы к основанию.

1631269

Х>

efg

200 б Х,мм

Составитель Е. Глазкова

Редактор Е.Конча Техред Л.Серд окова Корректор Л. Пилипенко

Заказ 533 Тираж 376 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская.наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101