摘要
晶体管型光电子传感器（OESs）通过将晶体管结构与光探测功能集成，成为推动光电子传感技术发展的重要平台。其电调可编程性和结构多样性，使得光输入与电输出之间的映射更加灵活，拓展了传统两端器件的感知能力。近年来，晶体管型OESs已从单一光强检测发展到多功能感知，具备边缘提取、机器视觉和高维光探测等优势。
2026年3月5日，新加坡国立大学仇成伟教授等人综述了该类传感器的工作原理、器件结构及门控可调光响应，重点介绍了仿生设计与智能算法的结合，展示了晶体管型OESs如何成为复杂自适应功能平台，并展望了未来发展面临的挑战与机遇。
正文内容
图1 | 晶体管型OES及其功能能力。a. 典型晶体管型OES结构示意图。 b. 常见门控可调电静特性，包括载流子类型、浓度、能带对齐、陷阱态等。 c. 晶体管型OES用于光强检测，通过调节门电压实现不同光响应，影响成像结果。 d. 晶体管型OES用于多功能感知，通过门电压编程光响应，可模拟生物视觉功能，实现传感器内计算/编码。
图1表明，晶体管型OES采用三端结构（源-漏-门），可通过门电压动态调控光响应。电调机制不仅影响载流子输运，还能调节光-物质相互作用，使器件对光强、波长、偏振等多维光属性产生响应。通过门控，器件可实现灵活的光探测和高级功能，如仿生视觉、边缘提取和传感器内计算。
图2 | 门控可调性能指标与调控策略。a. 响应度和增益随门电压变化及对应成像结果。 b. 线性动态范围（LDR）随门电压变化及成像结果。 c. 特定探测率和噪声等效功率随门电压变化及成像对比。 d. 响应速度和3dB带宽随门电压变化及运动成像。 e. 性能指标与典型门控调控策略关系示意。 f. 九种门控调控策略示意图。
图2表明，晶体管型OES的关键性能指标包括响应度、增益、LDR、特定探测率、响应速度等，均可通过门电压调控。作者总结了九种门控策略，如电掺杂、能带工程、陷阱态调控、双门设计、光敏层激活、门脉冲积分、门脉冲诱导复合、载流子加速、通道耗尽等，分别针对不同性能优化和多功能感知需求。
图3 | 器件结构与性能总结。a-d. 四种经典晶体管结构：BJT、JFET、MESFET、MOSFET。 e. 四类晶体管型OES的典型光电流产生机制。 f. 混合结构晶体管型OES示意，展示光敏层和通道材料厚度对性能的影响及转移曲线变化。 g,h. 五类晶体管型OES的性能总结。
图3表明，晶体管型OES结构从传统同质结、外延异质结扩展到低维材料混合结构（如0D-3D、1D-2D、0D-2D）。混合结构结合高迁移率通道与强吸收光敏层，优化厚度和偏置可实现低暗电流、高响应度。近年来，混合结构器件通过陷阱态管理和能带对齐，兼顾高增益与大带宽，推动高灵敏宽谱光探测发展。
图4 | 仿生设计赋能的晶体管型OES。a. 视网膜分层结构与韦伯定律示意。 b. 响应度随光强变化，门电压模拟杆/锥细胞功能。 c. 暗适应与明适应仿真结果。 d. 分级神经元及其时间响应示意。 e. 不同门电压下瞬态响应曲线，展示可调响应速度。 f. 不同速度运动目标的序列成像。 g. 视觉细胞形成的感受野示意，中心与周边对光刺激反应相反。 h. 双向光电流随时间变化，插图为3×3器件阵列示意。 i. 不同人工感受野预处理图像。 j-l. 仿生视觉适应、运动感知、感受野阵列器件结构与显微镜图像。
图4表明，晶体管型OES通过门控可调响应度，模拟人眼暗/明适应，实现宽动态范围（达199dB）。响应速度可调，仿效昆虫视觉系统，实现高效运动感知。阵列器件通过门控权重实现边缘提取等图像预处理，减轻后端计算负担。仿生设计推动器件从被动感知向智能感知转变。
图5 | 高维光探测的晶体管型OES。a. 利用晶体管型OES结合计算重建技术，实现光谱、偏振、轨道角动量（OAM）检测的流程示意。 b. 基于MoS₂-WSe₂范德华异质结的器件，实现可调光谱响应。 c. 双门型扭曲双层石墨烯器件，通过门控调节偏振响应。 d. 石墨烯量子霍尔器件，通过门控调节对不同OAM涡旋光束的光电流响应。
图5表明，传统OES仅能检测光强，需复杂光学元件实现高维光信息获取。晶体管型OES通过门控和材料工程，实现对光谱、偏振、OAM等属性的编码与重建，结合算法可实现小型化高维光探测，为紧凑集成光电子系统提供新方案。
图6 | 晶体管型OES的感知-存储-计算一体化。a. 人类视觉系统结构示意。 b. 传统机器视觉架构，感知、存储、处理模块物理分离。 c. 三种视觉信号处理架构对比。 d-g. 四种具备非易失性光响应的晶体管型OES结构示意，包括范德华异质结、陷阱态调控、相变材料、铁电材料。 h. 视觉传感器的多功能感知能力示意。 i. 大规模阵列集成技术示意。
图6表明，晶体管型OES通过材料与结构创新，实现感知、存储、计算一体化，具备可重构、非易失性光响应，支持加权求和、卷积等基础计算。器件可完成低级处理（噪声过滤、边缘提取）和高级感知（目标识别、轨迹跟踪），并逐步从单像素向大规模阵列发展，依托先进集成技术，推动低功耗、低延迟机器视觉系统实现。
总结与展望
近年来，晶体管型OESs在光探测性能、结构灵活性和电调可编程性方面取得显著进展，逐步接近传统两端器件水平。其作为新兴光敏材料和混合结构的研究平台，推动了新机制探索。未来，除电调控外，基底工程和光控等策略将进一步提升性能和功能。晶体管型OESs有望成为紧凑高维光探测模块和机器视觉前端单元，降低系统延迟与能耗。当前多功能阵列化仍面临材料均一性、可扩展性、工艺兼容性等挑战，需持续推进材料、器件物理和系统集成研究，助力其向实际光电子系统转化。
文章信息：Fu, J., Jiang, H., Liu, X. et al. Transistor-type optoelectronic sensors from light intensity detection to multifunctional perception. Nat. Sens. (2026).
文章链接：https://doi.org/10.1038/s44460-026-00035-1
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