圖像傳感器是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點(diǎn)”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉(zhuǎn)換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導(dǎo)攝像管和固態(tài)圖像傳感器。與光導(dǎo)攝像管相比，固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價(jià)格低等特點(diǎn)。因此在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

有機(jī)光電探測器 (OPD) 是圖像傳感器的“眼睛”，可應(yīng)用于下一代先進(jìn)設(shè)備的各種二極管系統(tǒng)。與傳統(tǒng)無機(jī)光電探測器相比，OPD 的明顯優(yōu)勢在于其極高的靈活性和低功耗要求。然而，OPD 中的噪聲會(huì)影響性能。因此，降噪對于提高 OPD 的性能非常重要。

無論是用于智能手機(jī)還是科學(xué)相機(jī)，當(dāng)天大多數(shù)成像傳感器都是基于CMOS技術(shù)和無機(jī)光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。盡管由有機(jī)材料制成的光電探測器正在吸引人們的注意，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭岣哽`敏度，如到目前為止，事實(shí)證明很難制造出高性能的有機(jī)光電探測器。

研究人員在《Optica》期刊上描述了新的有機(jī)光電探測器。他們還通過將透明的綠色吸收有機(jī)光電探測器疊加到帶有紅色和藍(lán)色過濾器的硅光電二極管上創(chuàng)造了一個(gè)混合的RGB成像傳感器。

幾種機(jī)制可能會(huì)引起噪聲的來源。其中，熱電子發(fā)射(帶電粒子從帶電金屬表面流動(dòng)，由于熱能克服靜電結(jié)合力)和直接電子隧穿(一種量子力學(xué)過程，即使在粒子的能量低于勢壘高度)是低偏壓下的可能模型。然而，迄今為止，主要的噪聲產(chǎn)生機(jī)制仍然未知。

為此，由韓國中央大學(xué)綜合工程學(xué)院的 Dong Hwan Wang 教授和他的博士后研究員 Woongsik Jang 博士領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究合作，通過與熱電子相關(guān)的實(shí)驗(yàn)建模機(jī)制研究了 OPD 中的暗電流發(fā)射和隧穿以確定 OPD 中產(chǎn)生的噪聲的主要原因。

研究人員在 2022 年 11 月 4 日在線發(fā)表于Advanced Functional Materials的一篇最新文章中介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

王教授解釋說：“盡管為減少 OPD 中的噪音做出了很多努力，但在確定噪音來源的機(jī)制方面所做的工作很少?！? 該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)證明，形成“肖特基勢壘”的電荷載流子勢壘能的形成，即電極-光敏層界面處的金屬-半導(dǎo)體結(jié)，偏壓和熱能共同使電荷從一個(gè)電極注入到另一個(gè)電極。這反過來又變成了暗電流。

研究人員分析了電流和電壓之間的相關(guān)性，以揭開噪聲來源的神秘面紗。他們通過調(diào)節(jié)勢壘能來控制三個(gè)不同能級的受體，從而確定了電流和勢壘能之間的關(guān)系。研究人員發(fā)現(xiàn)了反向偏壓下暗電流密度的自然對數(shù)與肖特基勢壘高度的平方根之間的線性關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)有力地表明直接隧穿是暗電流注入的主要機(jī)制。

憑借噪聲起源的機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有高效注入屏障的 OPD，可通過噪聲抑制提高檢測速度。在這項(xiàng)研究中開發(fā)的 OPD 可以擴(kuò)展以促進(jìn)彎曲設(shè)計(jì)，從而允許沒有濾色器的微型外形。“由于對 OPD 中產(chǎn)生的噪聲的解釋，我們可以實(shí)現(xiàn)這些令人難以置信的特性。開發(fā)的彎曲設(shè)計(jì) OPD 能夠在不受透鏡設(shè)計(jì)限制的情況下進(jìn)行 100% 全向傳感，并且可以檢測奇異波長”，Wang 教授指出。

總而言之，這一發(fā)展通過理論計(jì)算通過實(shí)驗(yàn)證明了 OPD 中噪聲的主要主導(dǎo)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和出色的檢測。由于通過引入 OPD 使圖像傳感器小型化，因此可以實(shí)現(xiàn)數(shù)億像素的高集成度。對主要噪聲產(chǎn)生機(jī)制的進(jìn)一步研究有助于抑制暗電流，從而提高高級應(yīng)用中的 OPD 性能。