北理工团队在传感-计算一体化视觉器件领域取得重要进展
近日，北京理工大学集成电路与电子学院柔性电子器件与智造研究所沈国震、王卓然团队，在国际顶级期刊《Nature Electronics》发表题为“A symmetry-reconfigurable photodiode for sensing and computing”的研究论文。
该研究创新性提出对称性可重构光电二极管(SRPD)，成功实现传感与计算双模式协同运行，并完成透射成像、神经形态眼机交互两大场景的系统验证，为低功耗边缘视觉智能系统的发展提供了全新器件解决方案。
随着微型机器人、可穿戴电子、智能终端等边缘设备的快速迭代，视觉系统对低功耗、高集成度与实时处理能力提出了更高要求。传统 “图像传感 - 模数转换 - 图像处理” 的分离式架构通用性强，但在信号转换、数据传输与存储计算环节能耗过高，难以满足边缘场景下的超低功耗需求。传感器内计算(PIS)是破解这一难题的关键技术路径，但其发展仍受限于器件机理不完善、规模化集成能力不足、复杂场景适应性差等核心瓶颈。
针对上述挑战，研究团队基于I‑V‑VI 族半导体 AgBiS₂，设计并构筑了对称性可重构光电二极管(symmetry-reconfigurable photodiode, SRPD)。器件初始状态具备对称的金属 - 半导体肖特基势垒，工作于传感模式，可实现紫外至短波红外的宽谱透射成像;在电压脉冲激励下，AgBiS₂中的银离子可在局域电场作用下发生可逆迁移，调控单侧肖特基势垒高度并打破器件对称性。在非对称模式下，该器件可实现非易失、双极性光响应权重调制，具备52级以上可分辨权重状态，权重保持时间超2000秒，经10000 次双极循环切换仍保持优异稳定性，最小有效编程脉宽低至100纳秒。
该器件采用简洁的双端结构，与薄膜晶体管(TFT)读出电路高度兼容，为阵列化集成与系统扩展提供了坚实基础。团队已在 64×64 TFT 芯片上实现单片集成，构建出高透光率图像传感器，成功完成硅片、油墨等目标的红外透成像;并进一步实现与 MOSFET 兼容集成，验证了其与硅基读出电路适配的工程化潜力。
依托光电流原位计算特性，研究团队成功实现图像边缘提取、图像锐化等卷积运算，并构建人工神经网络分类器件，证实了其在传感器内信息预处理与并行模拟计算中的突出优势。在系统应用层面，该器件被成功拓展至神经形态眼机交互领域：通过混合卷积神经网络实现眼动方向高精度识别，并完成基于实时眼动追踪的机械手联动与无人机跟随控制演示，充分验证了其在低功耗人机交互、沉浸式控制与边缘智能系统中的广阔应用前景。
该论文的第一完成单位为北京理工大学。集成电路与电子学院沈国震教授、王卓然教授、香港科技大学范智勇教授为通讯作者，集成电路与电子学院博士研究生苗雨、博士后冉文浩、中山大学卫斌副教授、王卓然教授为论文共同第一作者。
论文详情：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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