暗電流発生とは何ですか?

光学デバイスにおける暗電流の発生

暗電流は光学工学の分野、特に CCD (電荷結合素子) や CMOS (相補型金属酸化膜半導体) センサーなどのイメージング デバイスの性能において重要な現象です。これは入射光とは無関係のノイズの一種であり、デバイスが完全に暗闇にあるときでも存在します。

起源とメカニズム

暗電流は、主にイメージング センサーの半導体材料内での電子の熱励起によって発生します。室温でも、この熱エネルギーは価電子帯から伝導帯に電子を励起するのに十分であり、光子の相互作用を必要とせずに電子正孔対を生成します。その後、これらの自由電荷キャリアがイメージング デバイスによって誤って信号として登録され、キャプチャされた画像にノイズが入り込む可能性があります。

暗電流に影響を与える要因

• 温度:暗レベルに影響を及ぼす最も重要な要因はセンサーの温度です。温度が高くなると熱の攪拌が増加し、電子正孔対の生成率が上がります。
• センサー材料:材料によってバンドギャップエネルギーが異なるため、熱によって生成される電子-正孔対の速度はセンサーの種類によって異なります。
• ピクセル サイズ:ピクセルが大きいほど、電荷を生成できる半導体材料の体積が大きくなるため、暗電流が高くなる傾向があります。

削減テクニック

暗電流の影響を軽減するために、さまざまな戦略が採用されています。

• 冷却:センサーの温度を下げると、暗電流を大幅に減らすことができます。これは、高精度アプリケーションでは熱電冷却器または液体窒素を使用することで実現されることが多いです。
• 改良された材料:研究開発の取り組みは、暗電流特性が低い半導体材料を見つけることに重点が置かれています。
• ソフトウェア補正:後処理技術を使用して、キャプチャした画像から暗電流成分を減算し、信号対雑音比を向上させることができます。

暗電流を理解して制御することは、イメージングセンサーやデバイスのパフォーマンスを向上させるために極めて重要であり、光学工学における重要な研究分野となっています。