[发明专利]一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元及像素阵列

权利要求书

1.一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元，用于对光强进行探测和运算并输出以电流表示的运算结果，其特征在于，包括用于感光并进行光电转换的传感浮栅晶体管以及用于存储和计算的第一存算浮栅晶体管；

所述传感浮栅晶体管的源极与所述第一存算浮栅晶体管的漏极相连；

所述传感浮栅晶体管采用浮栅MOSFET器件的结构，感光后将光信号转换为电信号，并在外部发送的读取信号的控制下将信息读出为电流信号；

所述第一存算浮栅晶体管采用浮栅MOSFET器件的结构，由外部写入电路对其进行编程改变其阈值电压并存储写入的值后，再从外部给定的控制栅偏压下选择是否导通，若导通则将所述传感浮栅晶体管输出的电流信号传输至所述输出端，输出以电流表示的运算结果；

所述第一存算浮栅晶体管的源极作为所述像素单元的输出端；

所述像素单元完成感光，存储和计算的步骤包括：

步骤1：将外部写入电路与存算浮栅晶体管的控制栅连接，对存算浮栅晶体管进行写入编程，使存算浮栅晶体管处于“0”态或“1”态，从而存储外部写入的信息；

步骤2：所述传感浮栅晶体管的漏极浮空，令传感浮栅晶体管感光，在外部感光编程电路的控制下，在传感浮栅晶体管的控制栅加上大于20V的偏压，将产生的光电子扫入浮栅中，对传感浮栅晶体管进行编程，从而完成光信号到电信号的转换；

步骤3：由外部读取电路在传感浮栅晶体管的控制栅上施加第一正向电压Vgr1，在第一存算浮栅晶体管的控制栅上施加第二正向电压Vgr2，在所述传感浮栅晶体管的漏极施加一个正向偏压Vr，使所述传感浮栅晶体管和所述第一存算浮栅晶体管处在线性区，在所述输出端读出此时电流的大小；其中Vgr1＞Vtmax，Vt0≥Vg2≥Vt1，Vtmax为传感浮栅晶体管经过可测的最大光强的编程后开启所需的阈值电压，Vt0为第一存算浮栅晶体管置为“0”状态时开启所需阈值电压，Vt1为第一存算浮栅晶体管置为“1”状态时开启所需阈值电压；

步骤4：所述传感浮栅晶体管的漏极浮空，在外部复位电路控制下，对传感浮栅晶体管和存算浮栅晶体管的控制栅上施加负向偏压，对传感浮栅晶体管和存算浮栅晶体管进行擦除，完成一次对光强的探测计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元，其特征在于，还包括第二存算浮栅晶体管，所述第一存算浮栅晶体管用于存储和计算正向外部输入，所述第二存算浮栅晶体管用于存储和计算负向外部输入；所述第一存算浮栅晶体管和所述第二存算浮栅晶体管的结构相同；

所述传感浮栅晶体管的源极与所述第二存算浮栅晶体管的漏极相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元，其特征在于，所述像素单元完成感光，存储和计算的步骤包括：

步骤1：将外部写入电路与第一存算浮栅晶体管和第二存算浮栅晶体管的控制栅连接，分别对第一存算浮栅晶体管和第二存算浮栅晶体管进行写入编程，使存算浮栅晶体管处于“0”态或“1”态，从而存储外部写入的信息；

步骤2：所述传感浮栅晶体管的漏极浮空，令传感浮栅晶体管感光，在外部感光编程电路的控制下，在传感浮栅晶体管的控制栅加上大于20V的偏压，将产生的光电子扫入浮栅中，对传感浮栅晶体管进行编程，从而完成光信号到电信号的转换；

步骤3：由外部读取电路在传感浮栅晶体管的控制栅上施加第一正向电压Vgr1，在第一存算浮栅晶体管和第二存算浮栅晶体管的控制栅上施加第二正向电压Vgr2，在所述传感浮栅晶体管的漏极施加一个正向偏压Vr，使所述传感浮栅晶体管、所述第一存算浮栅晶体管及所述第二存算浮栅晶体管处在线性区，所述第一存算浮栅晶体管支路的电流I₊与所述第二存算浮栅晶体管支路的电流I_-经过电流相减电路后，在所述输出端读出此时电流的大小，其中Vgr1＞Vtmax，Vt0≥Vg2≥Vt1，Vtmax为传感浮栅晶体管经过可测的最大光强的编程后开启所需的阈值电压，Vt0为第一存算浮栅晶体管置为“0”状态时开启所需阈值电压，Vt1为第一存算浮栅晶体管置为“1”状态时开启所需阈值电压；

步骤4：所述传感浮栅晶体管的漏极浮空，在外部复位电路控制下，对传感浮栅晶体管、第一存算浮栅晶体管和第二存算浮栅晶体管的控制栅上施加负向偏压，对传感浮栅晶体管、第一存算浮栅晶体管和第二存算浮栅晶体管进行擦除，完成一次对光强的探测计算。

4.一种用于进行图像识别的感存算一体系统的像素阵列，基于权利要求2或权利要求3所述的像素单元实现，其特征在于，所述像素阵列由(n+1)×(m+1)个所述像素单元组成，由外部写入电路对像素阵列中每列的存算浮栅晶体管M_i0-M_in的栅极分别写入对应的n+1位训练过的权重值W_i0-W_in，其中0≤i≤m，若所述位的权重值为正，则将其写入第一存算浮栅晶体管M_ij0中，第二存算浮栅晶体管M_ij1写0，若所述位的权重值为负，则将通过电压取反电路后的所述位的权重值写入第二存算浮栅晶体管M_ij1，第一存算浮栅晶体管M_ij0写0，其中0≤i≤m，0≤j≤n；每个像素单元进行感光编程和读取后，将每列的每个像素单元中正权重值支路输出的电流之和I_i0减去负权重值支路输出的电流之和I_i1得到输出值，得到存入不同权值后的电流I_i，其中0≤i≤m，完成对正或负数的权重值的计算，再通过电流比较器比较I₀-I_m的大小可选出电流大小最突出的一条支路对应输入的权重值进行判断从而完成图像识别。