Byte Россия - ИТ

Оптические датчики – тоже с вычислительными способностями

Прототип оптического датчика, несущего «на борту» интегрированные вычислительные средства, создала группа инженеров-электронщиков из Университета штата Пенсильвания, взяв за основу двумерный (толщиной в считанные атомы) материал – дисульфид молибдена.

Вслед за полупроводниковыми накопителями активными – т.е. несущими «на борту» интегрированные вычислительные средства – могут стать и оптические датчики. Прототип такого датчика создала группа инженеров-электронщиков из Университета штата Пенсильвания под руководством Ахила Додды (Akhil Dodda), взяв за основу так называемый двумерный (представляющий собой листки толщиной в считанные атомы) материал – дисульфид молибдена, в котором слой атомов металла располагается между двумя слоями атомов серы.

Крошечные квадратные листки светочувствительного 2D-материала, с характерным размером около 100 мкм, выполняют роль отдельных пикселов в оптической матрице датчика. Всего в датчике площадью 9 кв. мм содержится 900 таких пикселов, каждый из которых представляет собой самостоятельно программируемый фототранзистор. Такое полупроводниковое устройство само, без дополнительных транзисторов в схеме, генерирует определенное напряжение в зависимости от накопленного светочувствительным элементом заряда, и работа его может напрямую контролироваться управляющей схемой устройства.

Оптический датчик из программируемых пикселов на основе 2D-материала. Источник: Университет штата Пенсильвания.

Общеупотребительные сегодня оптические КМОП-датчики обеспечивают значительно более высокое разрешение, поскольку характерный размер отдельных их пикселов не превышает 0,5–0,6 мкм. Однако эти пикселы всего лишь преобразуют падающие на них фотоны в электрический заряд: для выработки напряжения от каждого пиксела необходимы дополнительные полупроводниковые элементы – в частности, усилители сигнала, способствующие фиксации светового потока при низком уровне освещенности, что существенно увеличивает общие габариты датчика.

2D-материал в этом отношении существенно более выгоден: он не только позволяет конструкторам обойтись без дополнительных элементов в схеме, но и отличается высочайшей светочувствительностью, измеряемой единицами десятков пиковатт на каждый пиксел (примерно в 10 млн раз меньше порогового уровня срабатывания для традиционных КМОП-датчиков). Активные пикселы, запрограммированные на отключение сразу после фиксации сигнала, не генерируют шум и тем самым существенно повышают разрешающую способность датчика в целом при низких уровнях освещенности.

Прототип активной светочувствительной матрицы при нынешних его характеристиках пока далек от практических приложений, однако исследователи видят за технологией большое будущее и надеются привлечь финансирование для ее совершенствования.