DE2553378A1

DE2553378A1 - Waermestrahlungsfuehler

Info

Publication number: DE2553378A1
Application number: DE19752553378
Authority: DE
Inventors: Charles Thomas Elliott
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1974-11-27
Filing date: 1975-11-27
Publication date: 1976-08-12
Also published as: JPS5188276A; DE2553378C2; JPS5836298B2; FR2293063A1; GB1488258A; FR2293063B1; US3995159A

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

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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 I_ß 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 v_i 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 L_n 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 v_d 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.

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

Ansprüche

IJ Wärmestrahlungsfühler zur Erfassung eines Strahlungsbildes, wenn über dem Fühler abgetastet wird, gekennzeichnet d' u roh

einen 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, und

eine 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 Vorstromes

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an 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.

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