Способ определения положения светящегося объекта и устройство для его осуществления

1631269 4ковой пластине 1 формируется градно" ентное электрическое поле Е. Гради Ьент 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 полупроводни" ковой 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 020Устройство 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 секущей грани которой расположены электрические контакты 4 и 5 соответственно. Пластина 1 расположена между полюсами магнита 2 и 3 так что вектор напряженности магнит 9ного 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 дом 10 устройства и первым .выводом нагрузочного резистора 11, второй вывод которого подключен к общей шине,Для регистрации положения светящегося объекта используется эксперимен 50 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-Фпараллельной Е и перпендикулярной Е вектору напряженно сти ма гн итно го поч - е -е ля Н составляющих (Е = Ер + Е)Действие напряженности Е на носители тока в пластине 1 является результирующим действием составляющих Еи и Е, т.е. поведение носителей тока в пластине 1 можно рассматривать как одновоеменное их движение в скрещенФ Фных Е,Нн и параллельных Е НН; электриче ских и магнитных полях, где магнитное поле Нсоздано магнитами 2 и 3.Действие скрещенных электрического и магнитного полей Е 1 х НН на носители тока приводит к появлению градиента концентрации в пластине 1 за счет магнитоконцентрационного эффекта.-у -ВНаправление составляющих Е и Н выбирается таким образом, чтобы отклонение носителей тока под действием силы Лоренца происходило в сторону грани 6 с малой скоростью поверхностной рекомбинации Я . 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 Б 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 Ц 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.696таллах и-Се с концентрацией примесей (2,5 + 4) 10 см . Изготовлены образцы 5 типов, отличающиеся углом при вершине М секущей грани с контактом 5. Толщина всех образцов составляла 0,3 мм, ширина 3 мм, минимальное расстояние между контактами 6 мм. Угол О образца В 1 - 20 , У 2 - 30 , Р 3 - 45 д, У 4 - 60, Р 5 - 80 . Для получения грани 7 с большой Б поверхность шлифовалась мелким абразивом (М 5), в результате чего достигнуто Б,ф"10 см/с.У Противоположная грань 6 полировалась и травилась в кипящей перекиси водорода для создания БоФ 5 1 О см/с. Контакты изготавливались вплавлением олова и проверялись на омичность по вольт-амперным характеристикам. Излучение создавалось гелий-неоновым лазером ЛГНс%= 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 С 7-12 и регистрировался на самописце.= 3 5 кЭ, Е = 40 В/см (где Ер среднее значение напряженности электрического поля в пластине) представлены на фиг. 2, Образцу У 2 соответствует кривая 12, Р 3 - 13, У 4 - 14. Для образца Р 5 (0(= 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 9 1 не удалось возбудить устойчивые осцилляции тока вследствие джоулевого разогрева полупроводниковой пластины 1. Это вызвано тем, что уменьшение угла 0 С 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 16312Колебания тока в полупроводниковой пластине 1 вызывают колебания напряжения на нагрузочном резисторе 11 и регистрируются на выходе 10 устрой 5 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 й на выходе 10, по которому и судят о положении светящегося объекта.Изменение частоты Г может быть выз вано одновременным действием ряда - причин. Световое пятно 8 сильнопоглощаемого излучения генерирует на грани 6 электронно-дырочные пары, которые увеличивают проводимость и шунти 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 значения35 электрического 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 оудет45 зависеть от области их зарождения, ,т.еот 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.П р и м е р. Исследование зависимости частоты колебаний тока, протекающего через полупроводниковую пластину 1, от положения светового пятна 8 проводилось на неориентированных крис 1631269и 5) и вызывает джоулев разогрев пластины 1. Формула изобретения51. 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 щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и помехозащнщенности, в полупроводниковой пластине формируют градиентное электрическое поле, пластину в магнитном поле ориентируют 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 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 304 0(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., ММ Составитель Е. ГлазковаРедактор Е. Конча Те хред Л. Сердокова ректор Л нк 533Го суда к В Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарин Х ЮIЦ 200Тираж 376венного комитет113035, Москва,Подписноепо изобретениями открытиям при ГКНТ СССР