圖像傳感器是利用光電器件的光電轉換功能將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點”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，將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導攝像管和固態(tài)圖像傳感器。與光導攝像管相比，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、價格低等特點。因此在各個行業(yè)得到了廣泛應用。
有機光電探測器 (OPD) 是圖像傳感器的“眼睛”，可應用于下一代先進設備的各種二極管系統(tǒng)。與傳統(tǒng)無機光電探測器相比，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還是科學相機，當天大多數(shù)成像傳感器都是基于CMOS技術和無機光電探測器將光信號轉換成電信號。盡管由有機材料制成的光電探測器正在吸引人們的注意，因為它們可以幫助提高靈敏度，如到目前為止，事實證明很難制造出高性能的有機光電探測器。
研究人員在《Optica》期刊上描述了新的有機光電探測器。他們還通過將透明的綠色吸收有機光電探測器疊加到帶有紅色和藍色過濾器的硅光電二極管上創(chuàng)造了一個混合的RGB成像傳感器。
幾種機制可能會引起噪聲的來源。其中，熱電子發(fā)射(帶電粒子從帶電金屬表面流動，由于熱能克服靜電結合力)和直接電子隧穿(一種量子力學過程，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，主要的噪聲產生機制仍然未知。
為此，由韓國中央大學綜合工程學院的 Dong Hwan Wang 教授和他的博士后研究員 Woongsik Jang 博士領導的一項研究合作，通過與熱電子相關的實驗建模機制研究了 OPD 中的暗電流發(fā)射和隧穿以確定 OPD 中產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制方面所做的工作很少。” 該團隊通過實驗證明，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-半導體結，偏壓和熱能共同使電荷從一個電極注入到另一個電極。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性，以揭開噪聲來源的神秘面紗。他們通過調節(jié)勢壘能來控制三個不同能級的受體，從而確定了電流和勢壘能之間的關系。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制。
憑借噪聲起源的機制，該團隊開發(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。在這項研究中開發(fā)的 OPD 可以擴展以促進彎曲設計，從而允許沒有濾色器的微型外形?！坝捎趯?OPD 中產生的噪聲的解釋，我們可以實現(xiàn)這些令人難以置信的特性。開發(fā)的彎曲設計 OPD 能夠在不受透鏡設計限制的情況下進行 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)展通過理論計算通過實驗證明了 OPD 中噪聲的主要主導機制，從而實現(xiàn)快速響應和出色的檢測。由于通過引入 OPD 使圖像傳感器小型化，因此可以實現(xiàn)數(shù)億像素的高集成度。對主要噪聲產生機制的進一步研究有助于抑制暗電流，從而提高高級應用中的 OPD 性能。
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