Способ измерения пространственного распределения физического поля

 

Использование: в измерительной технике, при измерении пространственного распределения физических полей, которые вызывают изменение обратного тока p-n перехода (полей температуры, механического напряжения, магнитного поля и т.д.). Сущность изобретения: способ основан на измерении распределения локальной плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента, выполненного в виде протяженной трехслойной полупроводниковой p-n-p⁺ (или n-p-n⁺) структуры длиной L. Подключают к концам p (или n)-слоя источник постоянного электрического напряжения E, а между концами p (или n) и p⁺ (или n⁺)-слоя источник электрического напряжения U. Изменяя напряжение U в пределах O≅U≅E, измеряют зависимость тока I(U) от напряжения U, по которой определяют распределение локальной плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента. По распределению j(x) и по предварительно найденной экспериментальной или теоретически известной зависимости локальной плотности обратного тока j = F(Ψ) от величины измеряемого физического поля Ψ определяют пространственное распределение физического поля j(x) вдоль чувствительного элемента. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении пространственного распределения физических полей, которые вызывают изменение обратного тока p-n перехода (например, полей температуры, механического напряжения, магнитного поля и т.д.).

Известны способы измерения пространственного распределения физических полей, основанные на сканировании измеряемого физического поля одним дискретным датчиком (патент США N 4875782 G 01 K 7/04 1990), либо применением множества дискретных датчиков (Польша N 267058 G 01 K 1989). Недостатком этих способов является необходимость применения механических сканирующих устройств или множества чувствительных элементов.

Известен способ измерения физических полей (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного насыщения тока p-n перехода), основанный на зависимости обратного тока насыщения p-n перехода от величины воздействующего физического поля (Викулин И. М. Стафеев В.и. Физика полупроводников приборов. 2-е изд. перераб. и доп.-М. Радио и связь, 1990, с. 204). Этот способ заключается в следующем. Помещают чувствительный элемент на основе двухслойной p-n или трехслойной p-n-p (или n-p-n) структур в исследуемую точку физического поля и по априорно известной зависимости обратного тока насыщения p-n перехода от величины физического поля определяют значение измеряемого физического поля в точке размещения чувствительного элемента например: 1) температурного поля: Викулин И. М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990. с. 204, 206; 2) механического напряжения: Викулин И.М. Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М. Сов. радио, 1975. с. 20,28; 3) магнитное поле: Викулин И.М. Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М. Сов.радио, 1975, с. 75,85.

Данный способ не позволяет измерять пространственное распределение физического поля одним неподвижным датчиком. Названным способом возможно измерение пространственного распределения физического поля только применением множества датчиков, либо механически перемещаемого в физическом поле одного датчика, что усложняет реализацию данного способа.

Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в определении пространственного распределения физического поля с помощью одного протяженного (одномерного) полупроводникового чувствительного элемента.

Эта задача решается тем, что в способе измерения пространственного распределения физического поля Ψ(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n перехода) в интервале координат O≅x ≅L по величине обратного тока насыщения p-n перехода, который состоит в том, что помещают чувствительный элемент на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p (или n-p-n) структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, к двум концам p (или n) слоя p-n-p⁺) структуры подают постоянное напряжение E а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p⁺ (или n⁺) подают напряжение U, изменяя которое в диапазоне O≅U≅E с шагом ΔU/2≪ ϕ_т где ϕ_т температурный потенциал, измеряют зависимость тока I(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют разность токов ΔI(U)=I(U+ΔU/2)-I(U-ΔU/2), определяют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x)=K ΔI(U)/ΔL, где координата x пропорциональна U и определяется выражением x=UL/E, K -экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL= ΔUL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(Ψ) определяют искомое пространственное распределение Ψ(x) (x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

Эта задача решается также тем, что в способе измерения пространственного распределения физического поля Ψ(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n перехода) в интервале координат O≅x≅L по величине обратного тока насыщения p-n перехода, который состоит в том, что помещают чувствительный элемент на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p (или n-p-n) структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, к двум концам p (или n) слоя p-n-p⁺ (или n-p-n⁺) структуры подают постоянное напряжение E, а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p⁺ (или n⁺) подают суммарное напряжение U_Σ= U+U_msinωt, где U_m≪ ϕ_т, ϕ_т - температурный потенциал, а частоту ω гармонического сигнала выбирают из условия w_н≪ ω≪ 1/(LR C) где ω_н верхняя частота спектра электрического сигнала U, R - погонное сопротивление p-слоя, C входная емкость между p и p⁺ слоями, и, изменяя напряжение U в диапазоне O≅U≅E, измеряют зависимость амплитуды переменного тока Im(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = 2K I_m(U)/ΔL, где координата x пропорциональна U и определяется выражением x=UL/E, K-экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = 2U_mL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(Ψ) определяют искомое пространственное распределение Ψ(x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

На фиг.1 представлена измерительная схема реализующая способ и возможное пространственное распределение физического поля Ψ(x) вдоль чувствительного элемента, которое необходимо измерить.

На фиг. 2а приведена эквивалентная электрическая схема чувствительного элемента; на фиг.2б эквивалентная электрическая схема элементарного участка чувствительного элемента длиной dx.

На фиг.3 изображен график функции S(x): при L= 1, ϕ_т=0,025, E = 1000 ϕ_т, c=1 Кривая 1 соответствует x_B 0,3 L, а кривая 2 соответствует x_B=0,8 L.

На фиг. 4 представлена измерительная схема реализующая способ с применением переменного сигнала.

На фиг.5 представлен один из вариантов устройства реализующего способ с применением переменного сигнала.

Устройство по фиг.2 содержит: полупроводниковый чувствительный элемент с p-n-p⁺ структурой, источник 2 постоянного напряжения E=const, регулируемый источник 3 напряжения U, вольтметр постоянного напряжения 4, микроамперметр постоянного тока 5. Устройство по фиг.4 содержит: полупроводниковый чувствительный элемент 1 с p-n-p⁺ структурой, источник 2 постоянного напряжения E= const, регулируемый источник 3 напряжения U, вольтметр постоянного напряжения 4, источник гармонического сигнала U_s(t)5, микроамперметр переменного тока 6. Устройство по фиг.5 содержит: полупроводниковый чувствительный элемент 1 с p-n-p⁺ структурой, источник 2 постоянного напряжения E, генератор гармонического сигнала U_s(t) 7, генератор пилообразного напряжения U 8, сумматор 9, усилитель 10, детектор 11, функциональный преобразователь 12, регистратор 13, токосъемный резистор R_o, разделительный конденсатор С_p.

Способ измерения заключается в следующем. Пространственное распределение физического поля вдоль полупроводникового чувствительного элемента длиной L, где x расстояние от начала чувствительного элемента, вследствие зависимости локальных обратных токов насыщения p-n перехода от данного физического поля Ψ вызывает соответствующее пространственное распределение локальных плотностей обратных токов насыщения j(x) (j(x₁), j(x₂), j(x₃).) вдоль чувствительного элемента. Например: 1) зависимость обратных токов насыщения p-n перехода от температуры T определяется выражением где E_g потенциальный барьер p-n перехода, k постоянная Больцмана, A- коэффициент пропорциональности (Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990, с.33, 204); 2) зависимость обратных токов насыщения p-n перехода от механического напряжения F определяется выражением: где C коэффициент пропорциональности, μ_p эффективная подвижность электронов, n_i концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике (Викулин И.М. Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М. Сов.радио, 1975 с. 21); 3) зависимость обратных токов насыщения p-n перехода от магнитной индукции B определяется выражением:
где g элементарный заряд, τ_рэ время жизни носителей заряда, n_n подвижность носителей в n слое, S площадь перехода (Викулин И.М, Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики, М. Сов.радио, 1975, с.75).

Таким образом, по найденному пространственному распределению локальной плотности тока j(x) вдоль чувствительного элемента и известной зависимости плотности тока насыщения j от величины воздействующего физического поля Ψ(т.е. j = F(Ψ)) можно определить пространственное распределение физического поля Ψ(x)) вдоль чувствительного элемента.

Рассмотрим чувствительный элемент, изображенный на фиг.1. Количество основных носителей заряда в p-слое меньше, чем в обогащенном p⁺-слое, значит погонное сопротивление R-p-слоя значительно больше погонного сопротивления R₊-p⁺-слоя, т. е. R>R₊. Следовательно, в эквивалентной электрической схеме чувствительного элемента погонным сопротивлением p⁺-слоя можно пренебречь. Эквивалентная электрическая схема чувствительного элемента представлена на фиг. 2а, а эквивалентная электрическая схема элементарного участка чувствительного элемента длиной dx изображена на фиг.2б. Он состоит из двух сопротивлений R/2 и двух встречно включенных диодов D1, D2.

Найдем зависимость локальной плотности тока j_l(x) произвольного участка dx чувствительного элемента (фиг.2б) от воздействующего на него напряжения U(x). Для этого выразим j_l(x) через плотности обратных токов насыщения j₀₁(x) и j₀₂(x) диодов D1, D2 (Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990. с.12):

где ϕ_т=kT/q температурный потенциал, U₁(x) и U₂(х) падение напряжения на диодах D1 и D2 соответственно. Появление знака минус (-) в показателе экспоненты в соответствии (2), для данной полярности напряжения U(x) (фиг.2б), обусловлено обратным включением диода D2. Напряжение U(x) равно сумме напряжений U₁(x) и U₂(x): U(x)= U₁(x)+ U₂(x).

Выразим напряжения U₁(x) и U₂(x) через плотности обратных токов насыщения j₀₁(x) и j₀₂(x):


Подставив (4) и (5) в (3), найдем зависимость локальной плотности тока j_l(x) от напряжения U(x):

гдe j(x)= j₀₁(x) плотность обратного тока насыщения диода D1, c= j₀₁(x)/j₀₂(x)- const, для всех элементарных участков dx, так как на оба перехода p-n-p⁺ структуры действует одно и тоже измеряемое поле Ψ(x) При идентичности диодов D1, D2 c=1, так как j₀₁(x)=j₀₂(x).

Рассмотрим включение чувствительного элемента по схеме фиг.1.

Полный ток 1, протекающий через внешний электрический вывод от p₊-слоя, является суммой локальных токов всех элементарных участков dx по длине чувствительного элемента.

К концам p₀-слоя приложено напряжение E=const, а общее сопротивление p-слоя R_Σ= LR. Следовательно, ток I_E, протекающий в цепи источника E,
I = E/R_Σ= E/LR. (8)
При условии I_E>>1 вдоль чувствительного элемента, устанавливается линейное распределение потенциала

Условие I_E>>1 легко обеспечивается соответствующим выбором значений E и R, а также из-за малости обратных токов p-n перехода (порядка десятков микроампер).

При указанной полярности напряжений E и U (фиг.1), левый конец p-слоя (электрический вывод "а") находится под положительным потенциалом, а правый конец p-слоя (электрический вывод "с") под отрицательным. Следовательно, вдоль p-слоя устанавливается некоторое распределение потенциала U(x) и имеется некоторая точка B с координатой x_B, потенциал в которой равен нулю (т. е.U(x)_B=0).

Координату x_B точки нулевого потенциала B, для заданного напряжения U, найдем из (9), решив уравнение U(x_B) 0 относительно x:
x_B UL/E.

Как видно из (10), координата x_B прямо пропорциональна напряжению U.

Ток I(U), протекающий через внешний вывод от p⁺-слоя, при заданном напряжении U найдем из (7):

Пусть напряжение U изменится на величину ΔU Тогда координата x_B, определяемая по соотношению (10), сместится на величину ΔL:

а новое значение тока I(U+ΔU) определяется выражением:

Приращение тока ΔI(U) вызванное изменением напряжения U на ΔU будет:

Представим выражение j_l(x,U+ΔU) рядом Тейлора:

В линейном приближении выражение (15) примет вид

Подставив соотношение (16) в (14) получим:

Подставив соотношение (6) с учетом соотношения (10) в выражение (17) получим:

Из соотношения (10) следует тогда выражение (18) примет вид:

Представим ΔI в виде:


Рассмотрим функцию S(x), входящую в подынтегральное выражение (20).

Графики функции S(x), при ϕ_т= 0,025 B, E=1000 ϕ_г L 1, c=1 представлен на фиг.3. Кривая 1 соответствует x_B 0,3L, а кривая 2 соответствует x_B 0,9L. Как видно из фиг.3 максимум функции S(x) находится в точке с координатой x x_B: S_max 1/(c + 1)² 0,25.

Внутри интервала (x_в-Δl/2)<x<(x+Δl/2) при E≫ ϕ_т функцию S(x) можно полагать постоянной и равной S_max, а вне этого интервала функцию S(x) равной нулю. Тогда функцию S(x) можно представить в виде:

где Δl имеет смысл разрешающей способности.

Соотношение (20) с учетом (22) примет вид:

Разрешив выражение (23) относительно плотности обратного тока насыщения j(x_B) и заменив (из соотношения (12)) ΔU на ΔLE/L получим:

где
Следовательно, координата произвольной точки x_B, в которой необходимо найти j(x_B), определяется напряжением U. При изменении напряжения U в диапазоне 0 ≅ U ≅ E координата x_B меняется в интервале 0 ≅ x_B ≅L. Преобразуем соотношение (24) к следующему виду:

где x (U/E)L, экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = (ΔU/E)L.
Для упрощения, выкладки при определении j(x) производились для правосторонних разностей ΔI(U) = I(U+ΔU)-I(U). Подобные же выкладки можно сделать и для центральных разностей ΔI(U) = I(U+ΔU/2)-I(U-ΔU/2) (Корн Г. Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. 5-е изд. М. Наука 1984, с. 668). Но применение центральных разностей способно обеспечить более точное определение j(x), а значит и более точное определение пространственного распределения физического поля Ψ(x).

Таким образом, способ измерения заключается в следующем (фиг.1):
устанавливают чувствительный элемент в исследуемое физическое поле Ψ(x)
подключают источники напряжения согласно фиг.1;
задают значение U от 0 до E с шагом ΔU/2≪ ϕ_т(U₁, U₂, U₃...), и измеряют зависимость тока I(U) (I(U₁), I(U₂), I(U₃).), протекающего через внешний электрический вывод p⁺-слоя, от напряжения U;
находят зависимость разности токов ΔI(U) от U
ΔI(U)= I(U+ΔU/2)-I(U-ΔU/2); (26)
вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента:
j(x) = KΔΙ(U)/ΔL, (27)
где ΔL = (ΔU/E)L, x=(U/E)L,
K экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности.

Затем по найденному распределению j(x) и по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j=F(Ψ) определяют искомое пространственное распределение Ψ(x) физического поля вдоль чувствительного элемента
Рассмотрим включение чувствительного элемента по схеме фиг.4. От способа по фиг.1 способ по фиг.4 отличается тем, что между p и p⁺-слоями чувствительного элемента подают суммарное напряжение , равное сумме напряжения U с гармоническим сигналом малой амплитуды U_s(t)=U_msin(ω,t)(U_m≪ ϕ_т). Через внешний контакт p⁺-слоя протекает ток
I(U_Σ)=I(U+U_msin(ωt))= I(U)+I_m(U)sin(ωt). (28)
Решим уравнение (28) относительно I_m(U)sin(ωt):
I_m(U)sin(ωt) = I(U+U_msin(ωt))-I(U). (29)
Из соотношения (29) найдем амплитуду Im(U), для этого рассмотрим выражение (29) при sin(ωt) = ± 1 и получим соответственно:
Im(U) I(U + Um) I(U),
-Im(U) I(U Um) I(U).

Вычтем из соотношения (30) соотношение (31):
2Im(U) I(U + Um) I(U Um).

Сравним выражение (32) с выражением (26), откуда следует, что:
ΔI(U)= 2 I_m(U), ΔU/2=U_m.
Тогда соотношение (26) для распределения плотности тока насыщения j(x) примет вид: (33)

где

Частоту ω гармонического сигнала следует выбирать из условий w_н≪ ω≪ ω_в где частота ω_в= 1/(RLC) -определяется влиянием входной емкости C между р и p⁺-слоями, в частота ω_н влиянием на измерения спектральных составляющих напряжений U.

Таким образом, способ измерения заключается в следующем (фиг. 4):
устанавливают чувствительный элемент в исследуемое физическое поле Ψ(x):
подключают источники напряжения согласно фиг. 4, причем частота ω гармонического сигнала выбирается из условия ω_н<ω< 1/(RLC) а амплитуда U_m≪ ϕ_т;
изменяя напряжение U от O и E измеряют зависимость амплитуды тока Im(U), протекающему через электрический вывод p⁺-слоя, от напряжения U;
вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента:
j(x)=2KΔI_m(U)/ΔL, (34)
где ΔL = (2U_m/E)L, x= (U/E)L, К-экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности.

Затем по найденному распределению j(x) и предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(Ψ) определяют искомое пространственное распределение Ψ(x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

Температурный потенциал ϕ_т= kT/q, в частном случае, при измерении температурного поля T(x), также является функцией координаты x вдоль чувствительного элемента ϕ_т(x) = kT(x)/q. При измерении других физических полей, при T(x) T const, температурный потенциал ϕ_т вдоль чувствительного элемента одинаковый, т. е. ϕ_т(x) = ϕ_т-const Влияние ϕ_т, при измерении температурного поля T(x) учитывается при экспериментальном нахождении коэффициента K.

Способ по фиг. 1 реализуется применительно к нахождению температурного поля T(x) следующим образом. Предварительно находят зависимость плотности обратного тока насыщения j(T) от температуры.

Один из вариантов нахождения j(T) состоит в следующем. Подключают к чувствительному элементу источник напряжения U и измерительные приборы согласно фиг. 1 (источник напряжения E-отключен). Помещают чувствительный элемент в однородное (не зависящее от x температурное поле T(x) T, изменяя температуру которого (T T1, T T2, T T3.), измеряют зависимость тока I(T) от температуры, по которой определяют зависимость плотности обратного тока насыщения j(T) от температуры (J(T) I(T)/L).

Устанавливают термочувствительный элемент 1 в исследуемое температурное поле T(x). Подают к концам р-слоя чувствительного элемента 1 (фиг.1) с источника 2 постоянное напряжение E. С регулируемого источника 3 напряжения U подают на вольтметр 4 и через микроамперметр постоянного тока 5 на термочувствительный элемент 1 (электрический вывод "a" и "b"). Изменяют напряжение U от O до E с шагом ΔU/2 т.е. U = U_i= (ΔU/2)·i где i -порядковый номер измерения (0≅ i≅ 2E/ΔU) которое контролируют при помощи вольтметра 4. И измеряют микроамперметром 5 ток I(U_j), где U_i, I(U_i) показания вольтметра 4 и микроамперметра 5 в i-м измерении. Затем находят разность токов ΔΙ_i(U)=I(U_i+1)-I(U_i-1) По найденной разности токов ΔΙ_i(U) по соотношению (27) определяют распределение j(x) вдоль чувствительного элемента, причем координата x определяется из выражения x (U/E)L. Затем по предварительно найденной зависимости j F(T) определяют искомое пространственное распределение T(x).

Определение пространственного распределения механического напряжения, магнитного поля и других полей, способных вызывать изменение обратного тока p-n перехода (Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводникового приборов - 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990. с. 212-213,222) устройством по фиг.1 аналогично но описанному, но необходимо применять датчик, чувствительный к данному виду физических воздействий, определить коэффициент пропорциональности K и зависимость плотности обратного тока насыщения j(Ψ) от величины измеряемого физического поля.

Устройство по фиг. 5 реализует способ применительно к нахождению температурного поля T(x) следующим образом. Предварительно находят коэффициент пропорциональности K и зависимость плотности обратного тока насыщения j(T) от температуры (аналогично изложенному выше), и заносят их в функциональный преобразователь 12.

Устанавливают термочувствительный элемент 1 в исследуемое температурное поле T(x). Подают к концам p-слоя чувствительного элемента 1 фиг.5 (электрический вывод "a" и "c") с источника 2 постоянное напряжение E. На сумматор 9 подают с генератора 8 периодическое пилообразное напряжение U(t)(O≅U(t)≅E) и с генератора 7 гармоническое напряжение U_s(t) = U_msin(ωt) где U_m≪ ϕ_т. С выхода сумматора 9 напряжение U_Σ= U(t)+U_s(t) подают между p и p⁺-слоем термочувствительного элемента 1 (электрический вывод "a" и "b"). Токосъемного резистора R₀ напряжение через усилитель 10 поступает на амплитудный детектор 11. С выхода детектора 11 напряжение пропорциональное плотности обратного тока насыщения j(x), в точке x, подается не вход функционального преобразователя 12, с выхода которого напряжение U_Ψ пропорциональное температуре T(x), подается на регистратор 13. На которое также напряжение U(t), пропорциональное координате x вдоль чувствительного элемента.

Определение пространственного распределения механического напряжения, магнитного поля и других полей, способных вызывать изменение обратного тока p-n перехода, устройством по фиг. 5 аналогично описанному. Но необходимо применить датчик, чувствительный к данному виду физических воздействий, и определить зависимость плотности обратного тока насыщения j(Ψ) от величины измеряемого физического поля и коэффициент пропорциональности K, которые заносят в функциональный преобразователь 12.

Опытный образец (макет) термочувствительного элемента 1 представляет собой дискретную модель из двадцати последовательно соединенных элементарных ячеек, выполненных на диодах типа КД104А и резисторах типа C2-29B с номиналом 100 (+ 0,25%) Ом. Диоды подобраны по обратному току насыщения с погрешностью не более 1%
Измерительная база 200 м.

В качестве блоков по фиг. 1 были взяты следующие стандартные приборы: источник 2 постоянного напряжения E-TEC-20, регулируемый источник 3 напряжения U-Г6-27, вольтметр постоянного напряжения 4-В7-16, микроамперметр постоянного тока 5-В7-21.

В качестве блоков по фиг.5 были взяты следующие стандартные приборы: источник 2 постоянного напряжения E-TEC-20, генератор гармонического сигнала Us 7-Г3-118, генератор пилообразного напряжения 8-Г6-27, регистратор 13 - осциллограф C1-68. Усилитель 10, амплитудный детектор 11, функциональный преобразователь 12 выполнены на основе интегральных операционных усилителей типа К140УД17, К140УД6.

Формула изобретения

1. Способ измерения пространственного распределения физического поля Ψ(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n-перехода) в интервале координат 0 ≅ x ≅ L по величине обратного тока насыщения p-n-перехода, заключающийся в помещении чувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p- (или n-p-n)-структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, отличающийся тем, что к двум концам p(или n)- слоя p-n-p⁺ (или n-p-n⁺) структуры подают постоянное напряжение Е, а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p⁺ (или n⁺) подают напряжение U, изменяя которое в диапазоне 0 ≅ U ≅ E с шагом ΔU/2 ≪ ϕ_т, где ϕ_т- температурный потенциал, измеряют зависимость тока I(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют разность токов ΔI(U) = I(U+ΔU/2) - I(U-ΔU/2), определяют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = KΔI(U)/ΔL, где координата х пропорциональна U и определяется выражением x UL/E; К экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = ΔUL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(Ψ) определяют искомое пространственное распределение Ψ(x) физического поля воль чувствительного элемента.

2. Способ измерения пространственного распределения физического поля Ψ(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n-перехода) в интервале координат 0 ≅ x ≅ L по величине обратного тока насыщения p-n-перехода, заключающийся в помещении чувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p (или n-p-n)-структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, отличающийся тем, что к двум концам p(или n)-слоя p-n-p⁺ (или n-p-n⁺)структуры подают постоянное напряжение Е, а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p⁺ (или n⁺) подают суммарное напряжение U_Σ = U+U_msinωt, где U_m≪ ϕ_т, ϕ_т- температурный потенциал, а частоту ω гармонического сигнала выбирают из условия
w_н≪ ω ≪ 1/LRC,
где ω_н- верхняя частота спектра электрического сигнала U;
R погонное сопротивление p-слоя;
С входная емкость между p- и p⁺-слоями,
и, изменяя напряжение U в диапазоне 0 ≅ U ≅ E, измеряют зависимость амплитуды переменного тока I_m(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = 2KI_m(U)/ΔL, где координата х пропорциональна U и определяется выражением x UL/E, где К экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = 2U_mL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(Ψ) определяют искомое пространственное распределением Ψ(x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5