互补光电晶体管像素单元、感算阵列结构及其操作方法技术

本公开是一种互补光电晶体管像素单元、感算阵列结构及其操作方法。该互补光电晶体管像素单元包括：第一光电场效应晶体管，为基于超薄体和隐埋氧化层的光电场效应晶体管；以及第二光电场效应晶体管，为基于超薄体和隐埋氧化层的光电场效应晶体管，且该第二光电场效应晶体管的类型不同于该第一光电场效应晶体管的类型；其中，该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管均为四端器件，具有栅极G、源极S、漏极D和阱基极B，该第一光电场效应晶体管的源极S或漏极D与该第二光电场效应晶体管的源极S或漏极D相连接。利用本公开，能够简化阵列结构和操作方法的复杂度，提高运算并行度，满足复用运算矩阵的需求。满足复用运算矩阵的需求。满足复用运算矩阵的需求。

【技术实现步骤摘要】
互补光电晶体管像素单元、感算阵列结构及其操作方法


[0001]本公开涉及半导体器件、集成电路及图像传感
，尤其涉及一种可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元、适于高并行度矩阵乘加运算的互补光电晶体管感算阵列结构及其操作方法，以及适用感内计算的高并行卷积运算实现方法。

技术介绍

[0002]传统的传感计算架构通常由传感单元、存储介质和计算核心三部分组成，三者间通过总线互连。随着物联网和大数据的发展，传感单元与存储介质、计算核心之间的冗余数据传输量日益增长，极大限制了硬件运算效率，增加了系统功耗。
[0003]感内计算旨在通过器件与电路协同设计，实现感算融合功能，从而减少数据搬运，降低延迟和功耗，提高系统能效，成为边缘感知与计算的重要技术路径。当前，基于具备感光特性的新原理器件构成互联阵列结构，进而与外围电路配合完成矩阵乘加运算，成为感内计算的重要实现形式。
[0004]然而，现有方案存在两个主要问题：第一，对于正负权重的实现需要设计不同的读出和控制电路，增加了阵列结构和操作方法的复杂度；第二，为满足复用运算矩阵的需要，阵列连接结构和时序操作十分复杂，运算并行度低。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本公开提出了一种可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元、适于高并行度矩阵乘加运算的互补光电晶体管感算阵列结构及其操作方法，以及适用感内计算的高并行卷积运算实现方法，以简化阵列结构和操作方法的复杂度，提高运算并行度，满足复用运算矩阵的需求。
[0006]根据本公开实施例的一个方面，提供了一种可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，该互补光电晶体管像素单元包括：第一光电场效应晶体管，该第一光电场效应晶体管为基于超薄体和隐埋氧化层的光电场效应晶体管；以及第二光电场效应晶体管，该第二光电场效应晶体管为基于超薄体和隐埋氧化层的光电场效应晶体管，且该第二光电场效应晶体管的类型不同于该第一光电场效应晶体管的类型；其中，该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管均为四端器件，具有栅极G、源极S、漏极D和阱基极B，该第一光电场效应晶体管的源极S或漏极D与该第二光电场效应晶体管的源极S或漏极D相连接。
[0007]上述方案中，该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管均包括：一掺杂阱，以及形成于该掺杂阱上的一UTBB场效应晶体管；其中，该掺杂阱的掺杂类型为n型或p型，该UTBB场效应晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。
[0008]上述方案中，对于该第一光电场效应晶体管与该第二光电场效应晶体管，该掺杂阱的掺杂类型相同时该UTBB场效应晶体管的类型不同，该掺杂阱的掺杂类型不同时该UTBB场效应晶体管的类型相同。
[0009]上述方案中，该第一光电场效应晶体管的类型为N
‑
p，即p型阱上的NMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为N
‑
n，即n型阱上的NMOS，该第一光电场效应晶体管的源极S与该第二光电场效应晶体管的源极S相连接构成公共源极，记为I
OUT
。
[0010]上述方案中，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将负权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将正权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。
[0011]上述方案中，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝光、读出、复位三个功能，具体包括：于曝光时，通过控制阱基极电压翻转实现光信号在像素单元中的收集和转化；于读出时，通过控制栅极电压翻转将器件选通或关闭，通过控制漏极电压翻转完成权值输入，然后在像素单元内部完成模拟运算，结果由公共源极电流表示；于复位时，通过控制各端口电平信号归零完成像素单元复位功能，为下次曝光做准备。
[0012]上述方案中，该第一光电场效应晶体管的类型为P
‑
p，即p型阱上的PMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为P
‑
n，即n型阱上的PMOS，该第一光电场效应晶体管的漏极D与该第二光电场效应晶体管的漏极D相连接构成公共漏极，记为I
OUT
。
[0013]上述方案中，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将正权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将负权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。
[0014]上述方案中，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝光、读出、复位三个功能，具体包括：于曝光时，通过控制阱基极电压翻转实现光信号在像素单元中的收集和转化；于读出时，通过控制栅极电压翻转将器件选通或关闭，通过控制源极电压翻转完成权值输入，然后在像素单元内部完成模拟运算，结果由公共漏极电流表示；于复位时，通过控制各端口电平信号归零完成像素单元复位功能，为下次曝光做准备。
[0015]上述方案中，该第一光电场效应晶体管的类型为N
‑
p，即p型阱上的NMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为P
‑
p，即p型阱上的PMOS，该第一光电场效应晶体管的源极S与该第二光电场效应晶体管的漏极D相连接构成公共输出，记为I
OUT
。
[0016]上述方案中，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将负权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将正权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。
[0017]上述方案中，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝光、读出、复位三个功能，具体包括：于曝光时，通过控制阱基极电压翻转实现光信号在像素单元中的收集和转化；于读出时，通过控制栅极电压翻转将器件选通或关闭，通过控制第一光电场效应晶体管的漏极电压翻转或第二光电场效应晶体管的源极电压翻转完成权值输入，然后在像素单元内部完成模拟运算，结果由公共输出电流表示；于复位时，通过控制各端口电平信号归零完成像素单元复位功能，为下次曝光做准备。
[0018]上述方案中，该第一光电场效应晶体管的类型为N
‑
n，即n型阱上的NMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为P
‑
n，即n型阱上的PMOS，该第一光电场效应晶体管的源极S与该第
二光电场效应晶体管的漏极D相连接构成公共输出，记为I
OUT
。
[0019]上述方案中，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将正权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将负权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。
[0020]上述方案中，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该互补光电晶体管像素单元包括：第一光电场效应晶体管，该第一光电场效应晶体管为基于超薄体和隐埋氧化层的光电场效应晶体管；以及第二光电场效应晶体管，该第二光电场效应晶体管为基于超薄体和隐埋氧化层的光电场效应晶体管，且该第二光电场效应晶体管的类型不同于该第一光电场效应晶体管的类型；其中，该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管均为四端器件，具有栅极G、源极S、漏极D和阱基极B，该第一光电场效应晶体管的源极S或漏极D与该第二光电场效应晶体管的源极S或漏极D相连接。2.根据权利要求1所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管均包括：一掺杂阱，以及形成于该掺杂阱上的一UTBB场效应晶体管；其中，该掺杂阱的掺杂类型为n型或p型，该UTBB场效应晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。3.根据权利要求2所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，对于该第一光电场效应晶体管与该第二光电场效应晶体管，该掺杂阱的掺杂类型相同时该UTBB场效应晶体管的类型不同，该掺杂阱的掺杂类型不同时该UTBB场效应晶体管的类型相同。4.根据权利要求3所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该第一光电场效应晶体管的类型为N
‑
p，即p型阱上的NMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为N
‑
n，即n型阱上的NMOS，该第一光电场效应晶体管的源极S与该第二光电场效应晶体管的源极S相连接构成公共源极，记为I
OUT
。5.根据权利要求4所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将负权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将正权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。6.根据权利要求4所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝光、读出、复位三个功能，具体包括：于曝光时，通过控制阱基极电压翻转实现光信号在像素单元中的收集和转化；于读出时，通过控制栅极电压翻转将器件选通或关闭，通过控制漏极电压翻转完成权值输入，然后在像素单元内部完成模拟运算，结果由公共源极电流表示；于复位时，通过控制各端口电平信号归零完成像素单元复位功能，为下次曝光做准备。7.根据权利要求3所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该第一光电场效应晶体管的类型为P
‑
p，即p型阱上的PMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为P
‑
n，即n型阱上的PMOS，该第一光电场效应晶体管的漏极D与该第二光电场效应
晶体管的漏极D相连接构成公共漏极，记为I
OUT
。8.根据权利要求7所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将正权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将负权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。9.根据权利要求7所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝光、读出、复位三个功能，具体包括：于曝光时，通过控制阱基极电压翻转实现光信号在像素单元中的收集和转化；于读出时，通过控制栅极电压翻转将器件选通或关闭，通过控制源极电压翻转完成权值输入，然后在像素单元内部完成模拟运算，结果由公共漏极电流表示；于复位时，通过控制各端口电平信号归零完成像素单元复位功能，为下次曝光做准备。10.根据权利要求3所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该第一光电场效应晶体管的类型为N
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p，即p型阱上的NMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为P
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p，即p型阱上的PMOS，该第一光电场效应晶体管的源极S与该第二光电场效应晶体管的漏极D相连接构成公共输出，记为I
OUT
。11.根据权利要求10所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将负权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将正权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。12.根据权利要求10所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝光、读出、复位三个功能，具体包括：于曝光时，通过控制阱基极电压翻转实现光信号在像素单元中的收集和转化；于读出时，通过控制栅极电压翻转将器件选通或关闭，通过控制第一光电场效应晶体管的漏极电压翻转或第二光电场效应晶体管的源极电压翻转完成权值输入，然后在像素单元内部完成模拟运算，结果由公共输出电流表示；于复位时，通过控制各端口电平信号归零完成像素单元复位功能，为下次曝光做准备。13.根据权利要求3所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该第一光电场效应晶体管的类型为N
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n，即n型阱上的NMOS，该第二光电场效应晶体管的类型为P
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n，即n型阱上的PMOS，该第一光电场效应晶体管的源极S与该第二光电场效应晶体管的漏极D相连接构成公共输出，记为I
OUT
。14.根据权利要求13所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，该互补光电晶体管像素单元利用该第一光电场效应晶体管和该第二光电场效应晶体管的互补光电特性，将正权重输入曝光后的该第一光电场效应晶体管完成运算，将负权重输入曝光后的该第二光电场效应晶体管完成运算，从而在一个像素单元内部兼容正负权重运算。
15.根据权利要求13所述的可同时实现正负权值计算的互补光电晶体管像素单元，其特征在于，在操作上，该互补光电晶体管像素单元能够完成曝光、读出、复位三个功能，具体包括：于曝光时，通过控制阱基极电压翻转实现光信号在像素单元中的收集和转化；于读出时，通过控制栅极电压翻转将器件选通或关闭，通过控制第一光电场效应晶体管的漏极电压翻转或第二光电场效应晶体管的源极电压翻转完成权值输入，然后在像素单元内部完成模拟运算，结果由公共输出电流表示；于复位时，通过控制各端口电平信号归零完成像素单元复位功能，为下次曝光做准备。16.一种适于高并行度矩阵乘加运算的互补光电晶体管感算阵列结构，其特征在于，包括：多个权利要求1至15中任一项所述的互补光电晶体管像素单元，且该多个互补光电晶体管像素单元排列成阵列结构。17.根据权利要求16所述的适于高并行度矩阵乘加运算的互补光电晶体管感算阵列结构，其特征在于，为实现行选通与权值输入功能，该互补光电晶体管...

【专利技术属性】
技术研发人员：周正，李嘉琦，于贵海，康晋锋，刘晓彦，黄鹏，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：