隨著自動導引、具身智能等前沿技術的發展,機器視覺對圖像采集提出了更高要求,需要精準記錄靜態圖像,還要能夠靈敏捕捉場景中的動態變化。現有的動態與有源像素傳感器技術集成了動態事件檢測和灰度圖像采集兩種功能,但每個像素通常需要幾十個晶體管和電路元件,且結構復雜、功耗高、集成難度大,同時面臨高速時鐘同步等工程難題。

針對上述問題,中國科學院金屬研究所研究員孫東明團隊提出了全新的“動靜雙感”電荷耦合光電晶體管。這種晶體管只需要一個器件單元,便可以同步實現動態與靜態圖像信息采集。

該研究設計了“上下雙光敏電容”的柵極結構。上層柵極通過較厚的介電層屏蔽電子,使器件產生穩定的電流變化,用于采集灰度圖像;下層柵極通過較薄的介電層讓電子隧穿形成瞬態電流脈沖,專門用來捕捉動態事件。通過這一獨特的電荷耦合光柵機制,研究在一個晶體管內實現了靜態圖像與動態事件的獨立響應。實測表明,該器件動態范圍達到120 dB、響應速度快至15 μs、功耗僅為10 pW,僅為傳統動態與有源像素傳感器器件的千分之一。

上述成果降低了功耗,有助于大規模集成,并從根本上解決了高速時鐘同步難題。同時,這一發明可以用二維材料制造也可以采用一維的碳納米管制造,具備良好的材料普適性。

4月14日,相關研究成果以A charge-coupled phototransistor enabling synchronous dynamic and static image detection為題,發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院相關項目等的支持。

電荷耦合光電晶體管結構與表征