DE2553378A1 - Waermestrahlungsfuehler - Google Patents
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Description
The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great
Britain and Northern Ireland, LONDON, Großbritannien
Wärme s tr ahlungsf tihl er
Die Erfindung betrifft einen Warmestrahlungsfühler
zur Erfassung eines Strahlungsbildes, wenn über dem Fühler abgetastet wird.
Wärmestrahlungs-Abbildungsvorrichtungen dienen zur
Umwandlung eines fokussierten Strahlungsbildes, vorzugsweise im infraroten Spektralbereich, mit Unterschieden
in der Temperatur und im Wärmeemissionsvermögen in einem
abzubildenden Objekt oder einer gegebenen Szene in ein sichtbares Bild. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere
Vorrichtungen, bei denen das Bild bereichsweise
293-(JX4658/05)-KoSl
609823/0756
— P —
über einem oder mehreren Fühlern abgetastet wird, die
die Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal umwandeln. Nach einer geeigneten Verstärkung und elektronischen
Verarbeitung kann dieses Signal zur Erregung eines elektrooptischen Wandlers oder Sichtgeräts, wie
z. B. einer Elektronenstrahlröhre, dienen, um ein sichtbares Bild zu erzeugen. Die Fühler können aus Halbleitermaterial
bestehen, wie z. B. Cadmium-Quecksilber-Tellurid, Indiumantimonid oder Blei-Zinn-Tellurid,
so daß das elektrische Signal von einem Photostrom erhalten wird, der aus freien Elektronen und Löchern
besteht, die durch Infrarot-Photonen aus der gebundenen molekularen Struktur freigesetzt wurden.
Die einfachste Form der oben beschriebenen Vorrichtung verwendet einen einzigen Fühler, über den das gesamte
Bild abgetastet wird. Bessere Eigenschaften werden erhalten, wenn mehrere Fühler, gewöhnlich in einer
Linie oder Zeile (lineare Anordnung), verwendet werden. Das Bild kann abgetastet werden, und die einzelnen Fühler
sind so angeordnet, daß jeder Fühler einen getrennten Teil des gleichen Bildes, z. B. eine getrennte Linie,
abtastet und daher mit verringerter Frequenzbandbreite arbeitet, wobei insgesamt im Vergleich zu einem einzigen
Fühler (Einelement-Fühler) ein verbesserter Rauschabstand erzielt wird. Diese Betriebsart wird auch als
"Parallelabtastung" bezeichnet. Das Bild kann auch so abgetastet werden und die Fühler können so angeordnet
sein, daß jeder Bereich oder Fleck des Bildes nacheinander auf jeden Fühler fokussiert wird. Die durch die
einzelnen Fühler erfaßten Signale werden so addiert, daß sie miteinander abgestimmt sind, aber das jedem
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Fühler zugeordnete Rauschen ist nicht abgestimmt. Daher führt auch diese als "Serienabtastung" bezeichnete
Betriebsart insgesamt zu einer Verbesserung des Rauschabstandes.
Die Parallel- und die Serienabtastung bringen jedoch beide Probleme mit sich. Bei der Parallelabtastung
wird ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit oder Einheitlichkeit im Ansprechen von allen Fühlern gefordert, was
schwierig zu erreichen ist. Bei der Serienabtastung muß das durch Jeden Fühler mit Ausnahme des letzten in der
Reihe erzeugte Signal um ein abnehmendes Zeitintervall verzögert werden, um die zum Abtasten des Bildes entlang
der Linie erforderliche Zeit zu kompensieren. Die zum Erzeugen der geeigneten Verzögerungen erforderlichen
Schaltungen sind in der Erfassungsschaltung der Fühler enthalten, und diese Erfassungsschaltung ist folglich
kompliziert aufgebaut. Weiterhin muß die zum Abtasten des Bildes entlang der Linie erforderliche Zeit genau
an die so erzeugten Verzögerungen angepaßt werden. Bei beiden Betriebsarten sind die Fühler gewöhnlich für
einen Betrieb im Infrarotbereich des Spektrums von 3 bis 5 oder 8 bis 14 /Um gekühlt, während die Erfassungsschaltung bei.Umgebungstemperatur normal arbeitet. Es
ist daher erforderlich, wenigstens eine Leitung je Fühler und zusätzlich eine gemeinsame Leitung aus dem
Kühlgefäß vorzusehen. Die Anzahl der vorgesehenen Leitungen macht folglich eine Kapselung der Fühler oder
Baueinheiten schwierig und ihre Herstellung teuer.
Erfindungsgemäß hat eine Fühlereinheit für eine Wärmestrahlungs-Abbildungsvorrichtung: einen länglichen
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Streifen aus Halbleitermaterial, das durch die Erzeugung
von Elektron- und Loch-Phototrägern photoleitend wird, wenn ein Strahlungsbild entlang des Streifens abgetastet
wird, eine Einrichtung, die in Längsrichtung durch den Streifen einen Vorstrom speist, der eine ambipolare
Drift der Phototräger im Streifen erzeugt, deren Geschwindigkeit mit der Bildabtastgeschwindigkeit zusammenpaßt,
eine erste und eine zweite Erfassungselektrode, die mit dem Streifen in der Nähe von dessen einem Ende
verbunden sind, wobei die Lage der ersten und der zweiten Elektrode und die Größe des Vorstromes zusammen so
sind, daß die für die Minoritätsphototrager in der ambipolaren Drift zum Erreichen des Bereiches zwischen der
ersten und der zweiten Elektrode erforderliche Laufzeit kleiner als die mittlere Elektron-Loch-Rekombinationszeit
im Streifen ist, und, verbunden mit der ersten und der zweiten Elektrode, eine Einrichtung zum Erzeugen
eines elektrischen Signales, das den spezifischen elektrischen Widerstand des Streifenbereiches zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode angibt. Das Streifenmaterial kann z. B. Cadmium-Quecksilber-Tellurid,
Indiumantimonid oder Blei-Zinn-rTellurid sein.
Die erste Erfassungselektrode kann einen Bereich aus
Metall, wie z. B. Aluminium, haben, das über dem Ende
des Streifens, zu dem die Minoritätsträger gezogen werden, aufgetragen ist. Diese Elektrode kann auch eine von zwei
Elektroden sein, zwischen denen der Strom fließt, wobei die andere Elektrode am anderen Ende des Streifens vorgesehen
ist. Die zweite Erfassungselektrode, die vorzugsweise über dem Streifen in der Nähe der ersten Elektrode
aufgetragen ist, kann entweder aus einem Metallbereich
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oder einem einen pn-übergang mit dem Streifen bildenden Halbleiterbereich bestehen, wobei der pn-übergang durch
eine geeignete Vorspannung in Sperrichtung vorgespannt ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt lediglich eine einfache Erfassungsschaltung und eine geringe Anzahl
von Leitungen zur Erfassungsschaltung, wodurch die Kapselung relativ einfach wird. Diese Eigenschaften
sind mit einem herkömmlichen einzigen Fühler vergleichbar. Der erzielte Rauschabstand ist jedoch mit dem bei
der Parallel- und Serienabtastung erhaltenen Rausehabstand vergleichbar.
Wenn ein elektrischer Strom zwischen zwei Elektroden auf einem Körper eines gleichmäßig dotierten Halbleitermaterials
fließt, besteht der Strom aus zwei Komponenten, die in entgegengesetzten Richtungen zu den jeweiligen
Elektroden fließen. Die meisten Majoritätsträger, z. B. Elektronen bei einem η-leitenden Material, fließen zur
einen Elektrode, und die Minoritätsträger fließen zur anderen Elektrode. Die Minoritätsträger wandern in Paketen,
die in eine Wolke von Majoritätsträgern eingebettet sind, die entgegengesetzt zum Hauptmajoritätsträgerfluß
strömen. Dies wird als ambipolare Drift bezeichnet. Die ambipolare Drift tritt bei einer Geschwindigkeit auf,
die niedrig genug zur Anpassung an eine Bildabtastgeschwindigkeit ist. Auf diese Weise führt bei der Erfindung
die ambipolare Drift im Streifen, in dem die meisten Minoritätsträger photoangeregt sind, zu einem
Vorgang, durch den ein integriertes Bild aus allen wirksamen oder aktiven Teilen des Streifens aufgebaut
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■ werden kann, wenn das Bild entlang des Streifens
abgetastet wird. Kleine Änderungen der Bildabtastgeschwindigkeit können durch Einstellen des Vorstromes
kompensiert werden. Das Bildsignal wird durch Modulation des spezifischen elektrischen Widerstandes im
Bereich des Streifens zwischen der ersten und der zweiten Erfassungselektrode erzeugt, wenn die Phototräger
in der ambipolaren Drift diesen Bereich durchlaufen. Die Modulation kann einfach als Spannung zwischen den
Elektroden erfaßt werden. Die Laufzeit der Minoritätsträger ist kleiner als die Rekombinationszeit, so daß
die Minoritätsphototräger, aus denen das Bild aufgebaut wird, nicht durch Rekombination verloren werden, bevor
sie den Bereich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erreichen.
Ein einfacher linearer Fühler mit drei Elektroden ersetzt die herkömmliche lineare Serien- oder Parallel-Fühleranordnung
in einer Warmestrahlungs-Fühlervorrichtung
für ein abgetastetes Bild. Der Fühler umfaßt einen länglichen Halbleiter-Photoleiter-Streifen, der vorzugsweise
0,25 cm lang und 50 /um breit ist und z. B. aus
Cadmium-Quecksilber-Tellurid besteht. Ein Vorstrom im Streifen führt zu einer Phototräger-Driftgeschwindigkeit
im Streifen, die an die Bildabtastgeschwindigkeit angepaßt ist, um so eine erhöhte Bildauflösung zu bewirken.
Eine Modulation im Phototrägerstrom, der das
erfaßte Bild darstellt, wird als Änderung, des spezifischen Widerstandes insgesamt (mittlerer spezifischer
Widerstand) zwischen zwei Erfassungselektroden gemessen, die in der Nähe des einen Endes des Streifens angeordnet
sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine photoleitende Einheit, teils in Perspektive·
und teils in einer Schaltung;
Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Infrarot-Abbildungsvorrichtung, bei
der die Einheit der Fig. 1 verwendet wird; und
Fig. 3 einen Teil einer anderen Einheit teils in Perspektive und teils in einer Schaltung,
die bei der Vorrichtung der Fig. 2 verwendbar ist.
Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, hat eine photoleitende Einheit 1 (vgl. Fig. 2) einen länglichen Streifen 9 aus
Halbleitermaterial mit kleinem Bandabstand, wie z. B. Cadmium-Quecksilber-Tellurid, Indiumantimonid oder Blei-Zinn-Tellur
id. Die Einheit 1 hat auch zwei metallische Elektroden 11 und 13, z. B. aus Aluminium, die an entgegengesetzten
Enden des Streifens 9 abgelagert oder aufgetragen sind, und eine Elektrode 15, z. B. aus
Aluminium, die» in der Nähe der Elektrode 13 aufgetragen
ist. Ein konstanter Vorstrom Iß fließt in Längsrichtung
durch den Streifen 9 mittels einer Batterie 17, die in
Reihe zu einem S'tel!widerstand 19 zwischen den Elektroden
11 und 13 liegt. Eine Ausgangs- oder Erfassungsschaltung 21 liegt zwischen den Elektroden 13 und 15,
die als Erfassungselektroden dienen.
Gewöhnlich wird der Streifen 9 auf 77 0K in einem
Kühlgefäß (nicht dargestellt) mit flüssigem Stickstoff
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gekühlt, während die Batterie 17, der Widerstand 19 und die Ausgangsschaltung 21 außerhalb des Gefäßes auf
Raumtemperatur sind. Daher ist eine nicht dargestellte herkömmliche Kapselung zur thermischen Isolierung dieser
beiden Teile der Einheit 1 erforderlich, während zwischen ihnen geeignete elektrische Verbindungen vorgesehen
sind.
Ein Infrarotbild wird auf den Streifen 9 durch eine herkömmliche Abtast- und Fokussiervorrichtung (vgl. Fig. 2)
geworfen, in der die Einheit 1 verkleinert und ohne verschiedene Einzelheiten gezeigt ist. Die Abtast- und
Fokussiervorrichtung ist in vereinfachter schematischer Form als ein kontinuierlich um eine vertikale Achse
drehbarer Spiegel 2, als schrittweise um eine waagerechte Achse drehbarer Spiegel 3 und als Linse 5 dargestellt.
Die Vorrichtung tastet ein abzubildendes Objekt oder eine Szene S rasterförmig ab und erzeugt auf dem Streifen
9 der Einheit 1 bereichsweise ein entsprechendes Infrarotsignal.
Das Bild besteht aus einer Zeile ganzer elementarer Bildbereiche entsprechend einer Zeile ganzer elementarer
Objektbereiche. Die Bildbereiche wandern entlang des Streifens 9 mit einer Geschwindigkeit vi durch Drehung
des Spiegels 2. Ein derartiger Bildbereich, der einem Elementarbereich χ (Fig. 2) des Objekts S entspricht,
ist als Bildbereich 7 in Fig. 1 gezeigt. Bilder entsprechend den verschiedenen Zeilen der Elementarbereiche
im Objekt S werden nacheinander auf den Streifen 9 durch schrittweise Drehung des Spiegels 3 geworfen.
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Eine für die Praxis besonders geeignete Abtast- und Fokussiervorrichtung ist in der US-PS 3 764 192 beschrieben.
Die Batterie 17 ist so angeordnet, daß die Minoritätsträger im Streifen 9 in gleicher Richtung driften
wie der Bildbereich 7 entlang des Streifens 9 wandert, d. h. zur Elektrode \~5, wie dies dargestellt ist. Der
Widerstand 11 ist so eingestellt (vgl. unten), daß der Vorstrom Ln eine Minoritätsträgerdrift (genauer ausgedrückt,
eine ambipolare Drift) mit einer Geschwindigkeit V^ erzeugt, die der Bildabtastgeschwindigkeit v.
angepaßt ist.
Die Photonen der Infrarotstrahlung, die den Bildbereich 7 erzeugen, verursachen Elektron-Loch-Paare,
d. h. Phototräger, im Bereich des Streifens 9, auf dem sie einfallen, wodurch die Trägerdichten lokal über
ihre Gleichgewichtswerte erhöht werden. Da die überschüssigen Minoritätsträger zur Elektrode 15 mit einer
Driftgeschwindigkeit v, driften, die an die Geschwindigkeit v. angepaßt ist, nimmt die Minoritätsträgerdichte
entsprechend dem Bildbereich 7 kontinuierlich während des Überganges zur Elektrode 15 zu. Die Geschwindigkeit
der Erzeugung der Elektron-Loch-Paare entlang des Weges des Bildbereiches 7 hängt vom Photonenfluß in den
Bildbereich 7, d. h. von der Intensität oder Helligkeit dieses Bereiches, ab. Auf diese Weise erhöht eine überschüssige
Minoritätsträgerdichte an jedem gegebenen Punkt entlang des Weges des Bildbereiches 7 die lokale
Leitfähigkeit um einen Betrag, der ein Maß für die Intensität oder Helligkeit des Bildbereiches 7 ist.
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Da der Vorstrom I„ konstant ist, führt die Modulation
der Leitfähigkeit (und damit des spezifischen Widerstandes) im Streifen 9 zu einer lokalen elektrischen
Feldänderung. Die lokale Feldänderung im Streifen 9 entsprechend dem Bildbereich 7 und jedem anderen identischen
Bildbereich (nicht dargestellt) wird als Spannungsänderung zwischen den Elektroden 15 und 13 abgegriffen
und auf herkömmliche Weise durch die Ausgangsschaltung 21 verstärkt und verarbeitet, um ein Bildsignal zu erzeugen.
Unter der Annahme, daß die Hauptrauschquelle auf der Fluktuation der auf die Einheit 1 einfallenden
Hintergrundstrahlung beruht, kann gezeigt werden, daß der Streifen 9 eine Verbesserung F im Rauschabstand
gegenüber einem einzigen herkömmlichen hintergrundbegrenzten photoleitenden Bauelement um einen Betrag gibt:
F -2-k ■ (l)
mit L = Abstand zwischen den Elektroden 11 und 13 und
1 = Abstand zwischen den Elektroden 13 und 15.
Das Verhältnis 2L/1 zeigt die Anzahl der herkömmlichen photoleitenden Bauelemente an, die bei einer
herkömmlichen Parallel- oder Serienabtastvorrichtung erforderlich sind, um für die Einheit 1 ähnliche Eigenschaften
zu liefern.
Der maximal erreichbare Wert des Verhältnisses L/1 (Gleichung 1) wird durch das Erfordernis zum Abtasten
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eines elementaren Bildbereiches entlang des Streifens in einer Zeit eingestellt, die kleiner als die Minoritätsträger-Lebensdauer
ist. Der maximale Wert wird daher durch den Wert der Minoritätsträger-Lebensdauer
im Material des Streifens 9 und die maximale Geschwindigkeit V1 bestimmt, mit der das Bild abgetastet werden
kann. Wenn das abzubildende Objekt S aus 625 Linien (Zeilen) besteht, deren jede 625 Bildpunkte (Elementarbereiehe)
enthält, die entlang des Streifens 9 mit einer Bildfrequenz von 25 Hz (d. h. einer Informationsbandbreite von 5 χ 10 Hz) abgetastet werden,kann,gezeigt
werden, daß der Maximalwert von L/l ungefähr §0 bei einem Material mit einer Minoritätsträger-Lebensdauer
von 10 /US und ungefähr 5 bei einem Material mit einer Minoritätsträger-Lebensdauer von 1 /us beträgt.
Es ist wünschenswert, daß die wirksame Länge von L des Streifens 9 so klein als möglich ist, um (a) die
durch die Batterie 17 zum Herausführen der Minoritätsträger eingespeiste Spannung und Leistung und (b) die
Abtastgeschwindigkeit v, möglichst klein zu machen. Da
also L möglichst klein gemacht werden soll, während L/l so groß als möglich gelassen werden soll, ist es
erforderlich,. 1 möglichst klein zu machen.
Der Minimalwert von 1 wird durch Diffusionseffekte im Streifen 9 bestimmt. Wenn 1 zu klein gemacht wird,
geht Information über das Objekt S verloren, da Minoritätsträger, die den gleichen Bildbereich 7 darstellen,
den Bereich zwischen den Elektroden 1J> und I5 zu ver-
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schiedenen Zeiten erreichen. Es kann gezeigt werden, daß in einem Material mit einer Trägerbeweglichkeit
2 -1 -1
von 500 cm ν s und einer Minoritätsträger-Lebensdauer
von etwa 10 /us der minimal annehmbare Wert von 1 ungefähr 40 /um beträgt.
Die Breite des Streifens 9 ist ungefähr gleich 1 , so daß die Auflösung des angezeigten Bildes in Abtast
richtung und senkrecht dazu ungefähr gleich ist.
Wenn der Maximalwert des Verhältnisses L/l ungefähr 50 beträgt, ist die wirksame oder aktive Länge L des
Streifens vorzugsweise 0,25 cm (für eine Länge 1 von /um).
Die Tiefe (Dicke) des Streifens 9kann ungefähr 10~^ cm betragen.
Vorzugsweise ist das Material des Streifens 9 n-leitend ' (wenn Cadmium-Quecksilber-Tellurid oder Indiumantimonid
verwendet wird) und schwach dotiert, um eine große Minoritätsträger-, d. h. Löcher-Lebensdauer
und einen geringen Leistungsverbrauch zu geben. Typische Vorspannungsbedingungen (die durch die Batterie 17 erzeugt
werden), die erforderlich sind, um v^ und vd anzupassen
und um die Minoritätsträger-Rekombinationszeit größer als die Zeit zu machen, die für das Bild 7 erforderlich
ist, damit die Elektrode 13 in einem Material mit einer Minoritätsträger-Lebensdauer von 10 /US und
/o _i _i einer Minoritätsträger-Beweglichkeit von 500 cm ν s
erreicht wird, sind die folgenden:
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Vorfeld an Streifen 9 = 100 V cm" ,
Vorspannung an Streifen 9 = 25 V, Vorstrom = 8 mA, und
Vorleistung = 200 mW.
Vorleistung = 200 mW.
Ein anderes Ausführungsbeispiel für die Einheit ist in der Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall ist die
Elektrode 15 durch eine nichtohmsche Elektrode 24 ersetzt,
z. B. einen p-leitenden Bereich, der einen pnübergang mit dem Streifen 9 (wenn η-leitend) bildet,
wobei der Übergang durch eine Vorspannungsquelle 23 in Sperrichtung vorgespannt ist. Die Ausgangsschaltung
ist in diesem Fall über einen in Reihe mit der Vorspannungsquelle 23 geschalteten Widerstand 27 zwischen
den Elektroden 24 und 13 vorgesehen. Im übrigen hat die Einheit 1 die oben anhand der Fig. 2 erläuterten
Eigenschaften.
Die Minoritätsträger werden aus dem Streifen 9 an der in Sperrichtung vorgespannten Elektrode 29 abgesaugt.
Auf diese Weise fließt ein Strom durch den Widerstand 27, der proportional zur augenblicklichen Dichte der an der
Elektrode 24 ankommenden Minoritätsträger und daher ein Maß des Photonenflusses insgesamt entlang des Streifens
9 ist.
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Claims (4)
- AnsprücheIJ Wärmestrahlungsfühler zur Erfassung eines Strahlungsbildes, wenn über dem Fühler abgetastet wird, gekennzeichnet d' u roheinen länglichen Streifen (9) aus Halbleitermaterial, das photoleitend durch Erzeugung von Elektron-Loch-Phototrägern ist, wenn das Strahlungsbild entlang des Streifens (9) abgetastet wird,eine Einrichtung (11, 135), die in Längsrichtung durch den Streifen (9) einen Vorstrom schickt, der eine ambipolare Drift der Phototräger im Streifen (9) erzeugt, deren Geschwindigkeit und Driftrichtung jeweils die Geschwindigkeit und Abtastrichtung des Bildes entlang des Streifens (9) anpassen, undeine erste und eine zweite Erfassungselektrode (13, 15), die mit dem Streifen (9) in der Nähe von dessen einem Ende verbunden sind, wobei der Streifen (9) eine solche wirksame Länge und die Erfassungselektroden (\J>, 15) einen solchen Abstand haben, daß die Minoritätsphototräger in der Drift den Abstand zwischen den Erfassungselektroden (13, 15) in einer Zeit erreichen, die kleiner als die mittlere Elektron-Loch-Rekombinationszeit des Halbleitermaterials ist.
- 2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11, 13) zur Einspeisung des Vorstromes6098 2 3/0756an entgegengesetzten Enden des Streifens (9) zwei Elektroden aufweist, deren eine zugleich die erste Erfassungselektrode (13) ist.
- 3· Fühler nach Anspruch l,oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Erfassungselektrode (15) einen pn-übergang mit dem Streifen (9) aufweist, und daß eine Einrichtung (23) vorgesehen ist, die den pn-übergang in Sperrichtung vorspannt.
- 4. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (9) eine wirksame Länge von ungefähr 0,25 cm, eine Breite von ungefähr 50 Aim und einen mittleren Abstand zwischen den Erfassungselektroden (13, 15) von ungefähr 50 /um besitzt.609823/07564bLeerseite
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GB51498/74A GB1488258A (en) | 1974-11-27 | 1974-11-27 | Thermal radiation imaging devices and systems |
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