随着机器视觉技术在无人机、智能车辆和移动机器人等领域的快速发展，实时成像系统对硬件性能提出了更高要求，尤其是高分辨率、快速响应和宽动态范围成像能力。传统硅基图像传感器虽已成熟，但其动态范围（60-70 dB）远低于自然场景的280 dB光照跨度，导致在极端明暗场景中丢失细节。例如，在隧道出口等强光与暗光交界处，传统传感器难以同时保留高亮区域和阴影区域的细节。为解决这一问题，研究者借鉴人类视网膜中视杆和视锥细胞的互补机制：视锥细胞在强光下提供高分辨快速响应，而视杆细胞在弱光下通过高灵敏度捕获信号。这种生物视觉的动态适应机制激发了新型光电探测器的设计，通过结合不同工作模式扩展器件的光强感知范围。

但现有硅基图像传感器受限于单一光电转换机制，动态范围提升技术依赖复杂电路设计，易引入运动伪影且集成难度高。二维材料虽展现出宽动态响应潜力，但普遍存在表面陷阱导致的响应速度慢或与硅基工艺兼容性不足的问题。此外，传统光电二极管缺乏内部增益，弱光下信噪比低，而光电导器件虽具备增益但动态范围受限且暗电流较高。如何实现兼具宽动态范围、快速响应且与硅工艺兼容的器件，成为突破现有成像技术瓶颈的关键挑战。

针对上述问题，电子科技大学相关研究团队利用了威尼斯886699的DMD无掩膜光刻机进行了深入研究，他们提出了一种基于SOI与石墨烯异质结的双模光电探测器，通过设计光电二极管与光电导体的双工作模式动态切换机制，结合栅极调控降低暗电流，实现了170 dB的超宽动态范围与5 ns/4 μs的快速响应，同时兼容硅基工艺，为机器视觉系统提供了仿视网膜的新型光电器件解决方案。相关成果以“Dual-Mode Photodetectors Mimicking Retinal Rod and Cone Cells for High Dynamic Range Image Sensor”发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上，原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202402192

该研究基于仿生学原理，提出了一种新型双模光电探测器，通过模拟人眼视网膜视杆与视锥细胞的动态互补机制，实现了宽动态范围与快速响应的统一。研究团队采用SOI与石墨烯异质结结构，在反向偏压下器件以光电二极管模式工作（类似视锥细胞的强光响应），利用异质结耗尽区的载流子快速分离实现高线性度光电流输出；而在正向偏压下切换为光电导体模式（模拟视杆细胞的弱光敏感特性），通过栅极调控降低硅层载流子浓度，抑制暗电流并引入内部增益，显著提升弱光下的信噪比。双模动态切换机制使器件光强感知范围扩展至170 dB，覆盖10^-5至10^2 mW/cm²的极端光照场景。

图 人类视觉机制的原理图和视网膜杆状/锥状双模光电探测器的设计

在光电转换机理层面，研究揭示了异质结与栅极调控的协同效应。反向偏压时，石墨烯/Si界面形成的肖特基势垒促使光生载流子在耗尽区内分离，产生无增益但高稳定性的光电流；正向偏压下，外部电场主导载流子输运，栅极负压调制硅层费米能级形成局部势垒，抑制多数载流子导通，使微弱光信号触发的少数载流子迁移产生放大效应。通过光电流成像技术验证了两种模式的空间响应区域差异：光电二极管模式集中于异质结界面的局域敏感区，而光电导体模式则激活硅层整体导电通道，形成互补的光电活性区域。

图 噪声等效功率、光电流映射和能带图

图 双模光电探测器的光检测性能

器件性能测试表明，该探测器在405-638 nm可见光波段展现出宽谱响应特性。光电二极管模式在强光下具有140 dB线性动态范围（LDR），响应度稳定在0.3 A/W；光电导体模式在弱光区响应度高达160 A/W，结合栅压调控将噪声等效功率（NEP）降至6 pW。双模式融合后整体动态范围达170 dB，接近人眼适应范围（约180 dB）。特别值得注意的是，器件在两种模式下的响应速度分别达到5 ns（光电二极管）和4 μs（光电导体），突破了传统二维材料探测器秒级迟滞的瓶颈，这归因于SOI基底的超薄硅层（100 nm）有效缩短载流子扩散路径，以及异质结界面快速的电荷转移特性。

图 器件在405 nm处的动态响应

 图 双模光电探测器在单像素成像和图像融合中的应用

研究进一步通过单像素成像实验验证了仿视网膜成像的可行性。在模拟隧道出口的极端光强分布场景中，光电二极管模式捕获强光区域细节，光电导体模式提取暗区信息，通过均值滤波算法融合双模图像，成功重建出动态范围超越传统CMOS传感器的高保真图像。该工作不仅为硅基HDR图像传感器提供了一种无需复杂电路的新型器件架构，也为仿生光电系统的设计开辟了跨尺度异质集成的新路径，有望推动机器视觉在自动驾驶、无人机等领域的应用突破。

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