Leandro,
A câmera FF é melhor porque o tamanho físico dos pixeis é maior do que nas de sensor menor (salvo se a resolução da de sensor menor for menor).
Imagine duas bacias na chuva. A bacia maior captura mais gotas de chuva por unidade de tempo que a bacia menor. As gotas fazem o papel dos fótons e a ondulação na água o papel do ruído.
O ruído eletrônico é função, basicamente da temperatura (ruído de Johnson), e nos sensores, também da proximidade (densidade) dos pixeis. Quanto mais denso o sensor (e consequentemente menores os pixeis), maior a chance de vazamento de carga entre os pixeis, o que causa interferência mútua, na forma de ruído.
Para fins práticos, o ruído é fixo, e o que importa é a chamada relação sinal/ruído. Fácil de entender. Se você fala em voz baixa no meio de um trio elétrico no carnaval, ninguém vai te ouvir. Neste caso, o ruído é maior que o sinal. Em uma situação normal na rua, o ruído é mais baixo e as pessoas passam e te entender. Em uma sala com revestimento acústico, se você sussurra, uma pessoa pode ouvi-lo a uma razoável distância.
Voltando as bacias. O que interessa é a quantidade de fotons/segundo que o "pixel" recebe, e o seu "peso" em relação a ondulação da água (ruído). Por isso que os sensores de 30-40 MP das médio formato tem figura de ruído tão baixa (o tamanho dos pixeis é maior). Pelo mesmo motivo o ruído da EOS 5D, FF de 12MP é menor que o de uma FF de 21 MP.
Existem também outros fatores que influenciam no nível de ruído, como a sensibilidade aparente do sensor, que é modificada, variando-se a corrente de base no sensor. Mais elétrons (ondas mais altas na bacia) = mais ruído. É exatamente o mesmo fenômeno com qualquer dispositivo eletrônico, por exemplo em amplificadores, sejam de áudio ou rádio frequência. Se quer baixo ruído, use baixo ganho (correntes mais baixas), e vice versa.
Só que existe um ponto ótimo de trabalho que determina qual o tamanho ideal do pixel, para uma determinada densidade do sensor.
Pegar um sensor grande e interpolar para um tamanho menor não resolve o problema, é como se você simplesmente descartasse informação. Para tal, existem algoritmos de redução de ruído bastante sofisticados, mas todos eles perdem informação, alguns mais, outros menos.
O gráfico que vovê apresentou é justamente o de relação sinal/ruido (SNR=Signal to Noise Ratio)