暗電流とは？初心者向けにやさしく解説する基本と測定のコツ共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

暗電流とは何か

暗電流とは光が当たっていない状態で電流が流れてしまう現象のことです。カメラのセンサーや太陽電池などの半導体デバイスで特に気になる現象です。暗電流は機器の感度や精度に直接影響します。

この現象は主に熱によるキャリア生成と呼ばれるもので、半導体の中で電子と正孔が自発的に生まれる現象です。材料の不純物・欠陥・表面状態も暗電流を増やします。

暗電流の原因

熱生成: 温度が高いほど電子と正孔が生まれやすく、暗電流が増えます。
不純物と欠陥: 材料中の不純物や結晶の欠陥がキャリアを作ってしまいます。
表面状態: デバイスの表面近くの状態がキャリアの流れに影響します。

暗電流の測定と表現

暗電流は通常光を完全に遮断した状態で測定しますが、測定単位としては nA cm-2 などの表現が使われ、デバイスの面積や温度の影響を受けます。

温度が高いと暗電流は増え、低温にすると抑えられます。測定条件をそろえることが重要です。

ノイズとの違い

暗電流は一定の漏れ電流であり、ノイズは時間的なばらつきです。両方を理解して設計する必要があります。

暗電流を抑える方法

温度管理: デバイスを冷却するとキャリア生成が減り暗電流が小さくなります。
材料と製造の改善: 高純度の材料や表面処理で表面状態を改善します。
設計の工夫: 適切なドーピングと構造設計で暗電流を抑えます。
信号処理: 暗電流を背景として引くか、測定時に補正します。

表で見る暗電流の要点

<th>要因

影響	対策
温度	熱によるキャリア生成で増える	冷却・温度管理
材料の不純物	欠陥がキャリアを作る	高純度材料・品質管理
表面状態	表面が損傷すると流れやすくなる	表面パッシベーション

身近な例と応用

デジタルカメラのセンサーは暗電流を抑える工夫が必要です。夜間撮影や天体観測では暗電流が原因で黒つぶれやノイズが増えます。

まとめ

暗電流は完全にはなくせませんが、温度管理や材料・設計の工夫で大幅に減らせます。正しい測定と補正を行えば、デバイスの性能を安定させることができます。

暗電流の同意語

ダークカレント: 光が当たっていない状態でフォトデバイスを通る微小な電流。熱励起や内部のリークなどが原因で生じ、検出感度やノイズ特性に影響する。
ダーク電流: 光源がない状態で流れる電流の別表現。暗電流と同義で、受光素子の背景レベルやノイズ評価において重要な指標となる。
暗部電流: 暗い部分や光を遮断した状態で流れる電流。暗電流の別名として使われることがあり、画像センサーなどの評価指標に関連する。
無光電流: 光を受けていないときに流れる電流。暗電流と同義で、デバイスの基準電流として考慮される。
光なし電流: 光が全く入らない条件で流れる電流。暗電流と同義の表現として用いられることがある。
暗時電流: 暗い時間帯や光を遮った状態で流れる電流。暗電流の別表現として使われることがある。

暗電流の対義語・反対語

光電流: 光が入射したときに検出素子内で発生する電流。暗電流の対義語として最も一般的な用語です。
光誘起電流: 光の刺激によって生じる電流。光が当たっているときの電流で、光電流とほぼ同義です。
光生成電流: 光エネルギーによって生成される電流。光が原因で現れる電流という意味で用いられます。
照明下電流: 照明が当たっている状態で流れる電流。暗電流の対として、光がある状態を表します。
光検出電流: 光を検出する過程で生じる電流。フォトセンサーや光検出器で測定される現象を指します。
明電流: 明るい状態で流れる電流を指す非公式な表現。対義語として使われることがありますが専門用語としては推奨されません。

暗電流の共起語

フォトダイオード: 光を検出する半導体素子。暗電流はこのデバイスにおける背景電流として重要です。
漏れ電流: 光がなくても流れる微小な電流。暗電流の代表的な要素です。
熱雑音: 高温で生じるノイズの一種。暗電流とともに検出信号のノイズ成分を構成します。
生成・再結合過程: 半導体中でキャリアが生成・再結合する過程。暗電流の主な由来の一つです。
空乏層: PN接合で電荷を分離する領域。暗電流の発生源の一つです。
欠陥密度: 材料中の欠陥の数。欠陥はキャリアの捕捉を促し、暗電流を増やす原因になります。
欠陥レベル: 欠陥のエネルギーレベル。キャリアが捕捉されるエネルギー準位のことです。
トラップ: 欠陥が作るキャリアの捕捉点。暗電流の変動やノイズに寄与します。
バンドギャップ: 材料中のエネルギー差。温度とともに暗電流に影響します。
逆バイアス: 逆向きに印加される電圧。暗電流はこの条件で増えることがあります。
温度依存性: 暗電流が温度によって変化する性質。
冷却: 暗電流を抑える対策の一つ。低温化が有効です。
ショットノイズ: 離散的な電荷の流れに起因するノイズ。暗電流下で重要になることがあります。
光電流: 光を照射したときに流れる電流。暗電流と対になる概念です。
信号対雑音比: 受信信号とノイズの比。暗電流がSNRを低下させる要因となります。

暗電流の関連用語

暗電流: 光を照射していない状態で半導体の光検出器（CCD/CMOS/フォトダイオードなど）に流れる微小な直流。主に熱起生成キャリアによって生じ、温度・逆バイアス・デバイス設計に依存します。ノイズの基準となり、長時間露光時には特に問題になります。
熱起生成電流: 温度によって励起されるキャリアの生成に起因する電流。熱エネルギーにより電子・正孔が生まれ、暗電流の主要な成分となります。
内在キャリア生成: 材料がもつ intrinsic なキャリア生成。温度と材料の禁制帯に依存し、暗電流の源の一つです。
漏れ電流: デバイスの非理想的な経路から流れる微小な電流。暗電流の総称として用いられることがあります。
表面漏れ電流: 半導体表面の欠陥や酸化層などにより生じる漏れ電流。特に表面状態が多い場合に影響します。
ジャンクション漏れ電流: PN接合の逆偏置時に流れる漏れ電流。空乏域の生成・再結合過程が主な原因です。
発生再結合ノイズ: 電子と正孔の生成・再結合の確率の揺らぎに由来するノイズ。
熱雑音: キャリアの熱的ゆらぎによって生じるノイズ。暗電流と関係することが多いです。
ショットノイズ: 電荷の離散的な到着に伴うノイズ。暗電流が大きいほど影響が大きくなります。
ダークノイズ: 暗電流が原因で現れるノイズの総称。暗電流の揺らぎや変動を含みます。
温度依存性: 暗電流は温度と強く関連し、一般に温度が高いほど暗電流は増加します。冷却によって低減させることが多いです。
冷却: 暗電流を抑えるために温度を下げる方法。ペルチェ素子などの冷却で実施します。
低温動作: 低温条件での動作。暗電流を抑え、ノイズを低減します。
逆バイアス: PN接合に印加する逆方向電圧。暗電流の大きさに影響を与えることがあります（通常は増える傾向）。
バンドギャップと熱生成: 半導体の禁制帯幅と温度の関係により、 intrinsic キャリア生成量が決まり、暗電流の大きさに影響します。
ダークフレーム: 遮光状態で撮影した画像。暗電流とその非均一性を評価・補正する基準として使われます。
ダーク電流密度: 単位面積あたりに流れる暗電流の量。デバイスのサイズによって影響の程度が変わります。
ダークカレント非均一性: 画素ごとに暗電流の大きさが異なる現象。キャリブレーションで補正します。
光検出器: 光を電気信号に変換するデバイスの総称。暗電流はほぼすべての光検出器で問題になります。
フォトダイオード: 光を受けて電流を生み出す基本素子。暗電流は信号のベースノイズになります。
CCD: Charge-Coupled Deviceの略。画素が蓄えた電荷を読み出すタイプの画像センサーで、暗電流は画像ノイズの主要な要因です。
CMOSセンサー: CMOS技術を用いた画像センサー。各画素にアンプを持ち、暗電流とノイズの影響を受けます。