【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院柔性電子器件與智造研究所沈國震、王卓然團(tuán)隊，在國際頂級期刊《Nature Electronics》發(fā)表題為“A symmetry-reconfigurable photodiode for sensing and computing”的研究論文。
該研究創(chuàng)新性提出對稱性可重構(gòu)光電二極管(SRPD)，成功實現(xiàn)傳感與計算雙模式協(xié)同運行，并完成透射成像、神經(jīng)形態(tài)眼機(jī)交互兩大場景的系統(tǒng)驗證，為低功耗邊緣視覺智能系統(tǒng)的發(fā)展提供了全新器件解決方案。
隨著微型機(jī)器人、可穿戴電子、智能終端等邊緣設(shè)備的快速迭代，視覺系統(tǒng)對低功耗、高集成度與實時處理能力提出了更高要求。傳統(tǒng) “圖像傳感 - 模數(shù)轉(zhuǎn)換 - 圖像處理” 的分離式架構(gòu)通用性強(qiáng)，但在信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸與存儲計算環(huán)節(jié)能耗過高，難以滿足邊緣場景下的超低功耗需求。傳感器內(nèi)計算(PIS)是破解這一難題的關(guān)鍵技術(shù)路徑，但其發(fā)展仍受限于器件機(jī)理不完善、規(guī)模化集成能力不足、復(fù)雜場景適應(yīng)性差等核心瓶頸。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊基于I?V?VI 族半導(dǎo)體 AgBiS?，設(shè)計并構(gòu)筑了對稱性可重構(gòu)光電二極管(symmetry-reconfigurable photodiode, SRPD)。器件初始狀態(tài)具備對稱的金屬 - 半導(dǎo)體肖特基勢壘，工作于傳感模式，可實現(xiàn)紫外至短波紅外的寬譜透射成像；在電壓脈沖激勵下，AgBiS?中的銀離子可在局域電場作用下發(fā)生可逆遷移，調(diào)控單側(cè)肖特基勢壘高度并打破器件對稱性。在非對稱模式下，該器件可實現(xiàn)非易失、雙極性光響應(yīng)權(quán)重調(diào)制，具備52級以上可分辨權(quán)重狀態(tài)，權(quán)重保持時間超2000秒，經(jīng)10000 次雙極循環(huán)切換仍保持優(yōu)異穩(wěn)定性，最小有效編程脈寬低至100納秒。
該器件采用簡潔的雙端結(jié)構(gòu)，與薄膜晶體管(TFT)讀出電路高度兼容，為陣列化集成與系統(tǒng)擴(kuò)展提供了堅實基礎(chǔ)。團(tuán)隊已在 64×64 TFT 芯片上實現(xiàn)單片集成，構(gòu)建出高透光率圖像傳感器，成功完成硅片、油墨等目標(biāo)的紅外透成像；并進(jìn)一步實現(xiàn)與 MOSFET 兼容集成，驗證了其與硅基讀出電路適配的工程化潛力。
依托光電流原位計算特性，研究團(tuán)隊成功實現(xiàn)圖像邊緣提取、圖像銳化等卷積運算，并構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器件，證實了其在傳感器內(nèi)信息預(yù)處理與并行模擬計算中的突出優(yōu)勢。在系統(tǒng)應(yīng)用層面，該器件被成功拓展至神經(jīng)形態(tài)眼機(jī)交互領(lǐng)域：通過混合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)眼動方向高精度識別，并完成基于實時眼動追蹤的機(jī)械手聯(lián)動與無人機(jī)跟隨控制演示，充分驗證了其在低功耗人機(jī)交互、沉浸式控制與邊緣智能系統(tǒng)中的廣闊應(yīng)用前景。
該論文的第一完成單位為北京理工大學(xué)。集成電路與電子學(xué)院沈國震教授、王卓然教授、香港科技大學(xué)范智勇教授為通訊作者，集成電路與電子學(xué)院博士研究生苗雨、博士后冉文浩、中山大學(xué)衛(wèi)斌副教授、王卓然教授為論文共同第一作者。
論文詳情：Yu Miao+, Wenhao Ran+, Bin Wei+, Zhuoran Wang+*, Shukun Li, Qingting Ding, Xiujie Gao, Zinan Zhang, Chengyou Wang, Shengqiang Zhang, Guozhen Shen*, Zhiyong Fan*. A symmetry-reconfigurable photodiode for sensing and computing. Nature Electronics, 2026. DOI: 10.1038/s41928-026-01617-0.
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