淺談不同化學(xué)成分對(duì)光敏電阻薄膜特性的影響
——以高PbI2摻雜水平的鈣鈦礦光阻膜、Bi2S3光阻膜、ZnO光阻膜為例

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100080）

0 引言

光敏電阻器是一種特殊的電阻器，通常由硫化鎘，硒，鋁的硫化物和鋅等制成。當(dāng)這些材料被特定波長的光線照射時(shí)，其電阻值會(huì)迅速減小。其原理是由光產(chǎn)生的光電子子本身參與傳導(dǎo)，在電場的影響下，漂移運(yùn)動(dòng)使光電子到達(dá)電源的正極，空穴作為電源的負(fù)極，因此使得電阻值迅速下降[1]。作為普通電子設(shè)備，光敏電阻的發(fā)展已有90多年的歷史。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，光敏電阻作為電子工業(yè)的基本組成部分，其生產(chǎn)工藝仍在不斷進(jìn)步。不同的材料會(huì)賦予光敏電阻不同的特性，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇合適的類型，例如ZnO光敏電阻對(duì)紫外線更敏感，通常用于檢測(cè)紫外線或產(chǎn)生紫外線。PbS，PbSe，PbTe等紅外光敏電阻已廣泛用于國防，科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如紅外通信，導(dǎo)彈制導(dǎo)，人體疾病檢測(cè)，中紅外太陽極化等。測(cè)量，非接觸式測(cè)量等。Se，CdS，CdSe，CdTe，GaAs，Si，Ge，ZnS等可見光光敏電阻在光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，太陽跟蹤系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。光敏電阻已廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療和軍事方面，光敏電阻的發(fā)展對(duì)于促進(jìn)這些領(lǐng)域的發(fā)展和需求具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。

1 光敏電阻的屬性

（1）光電流和亮電阻。光敏電阻在某一光照下的阻值稱為亮電阻。此時(shí)流過的電流則稱為亮電流。

（2）暗電流和暗電阻。在經(jīng)過一段時(shí)間的無光照條件下所測(cè)得的光敏電阻的阻值稱為暗電阻，此時(shí)，在光敏電阻兩端施加電壓，得到的電流為暗電流。

（3）靈敏度。暗電阻與光電阻的相對(duì)變化值稱為靈敏度。

（4）光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)，也稱為光譜靈敏度，是指光敏電阻在被不同波長的單色光照射時(shí)的靈敏度。如果在不同波長下繪制靈敏度，則可以得到光譜響應(yīng)曲線。

（5）光照特性。指光敏電阻的阻值隨光照度的變化而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著光強(qiáng)度的增加，光敏電阻的電阻開始迅速減小。如果進(jìn)一步增加光強(qiáng)度，則電阻值的變化減小，然后逐漸趨于平緩。

（6）伏安特性。在一定的照度下，加到光敏電阻上的電壓和電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。在給定的偏置電壓下，光照度越大，光電流越大。在一定的照度下，施加的電壓越大，光電流越大，并且沒有飽和。但是，電壓不能無限增加，因?yàn)槊總€(gè)光敏電阻都受到額定功率，最大工作電壓和額定電流的限制。如果工作電壓和電流超過最大工作電壓和最大額定電流，可能會(huì)永久損壞光敏電阻。

（7）溫度系數(shù)。光敏電阻的靈敏度受到溫度的影響。部分光敏電阻在不同的溫度下展示出不同程度的靈敏度

（8）額定功率。額定功率是指光敏電阻在特定線路中允許消耗的功率。

2 不同材料的光敏電阻及其特性

以下是幾種不同類型的光敏電阻薄膜：

2.1 具有高PbI2摻雜水平的鈣鈦礦光敏電阻薄膜

對(duì)于AMX3化學(xué)計(jì)量的某些鈣鈦礦材料，化學(xué)成分是影響電阻性能的關(guān)鍵因素。CH3NH3PbI3（MAPbI3）是研究最廣泛的太陽能電池和光電探測(cè)器光敏層材料之一。

MAPbI3膜中略微過量的PbI2在一定程度上提高了太陽能電池性能。過量的PbI2可以改善鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度，并使電子轉(zhuǎn)移至TiO2層，從而使平均電池效率提高到18%[3]。PbI2填充鈣鈦礦的晶界，不僅減少了陷阱位點(diǎn)的數(shù)量，而且產(chǎn)生了明顯的能帶彎曲。因此，PbI2的摻雜水平在鈣鈦礦的化學(xué)穩(wěn)定性和光電性能中起著重要作用[4]。

目前，這種光敏電阻被廣泛應(yīng)用于太陽能電池中，MAPbI3是一種理想的光吸收材料，它可以大幅度地提高電池的轉(zhuǎn)換效率[5]。但由于薄膜自身的不穩(wěn)定的特性以及較短的使用周期，因此想使其完全投入商業(yè)化使用仍需要進(jìn)一步的改善。

2.2 Bi2S3光阻膜

硫化鉍（Bi2S3）是一種2D層狀可見光吸收半導(dǎo)體,常規(guī)的膜制造工藝需要權(quán)衡不受控制的成核與生長步驟導(dǎo)致薄膜呈現(xiàn)出關(guān)閉狀態(tài)。通過改良制備方法的Bi2S3薄膜，表現(xiàn)出了適中的霍爾效應(yīng)電子遷移率，并且具有優(yōu)異的光阻性能，與普通的薄膜相比，其具有更佳的光電導(dǎo)和開-關(guān)比。通過改良方法制備的光敏電阻的載流子在室溫下受聲子散射控制而在低溫下受跳躍躍遷控制，服從能帶傳輸，值得注意的是，室溫下的霍爾效應(yīng)測(cè)量表明，改良方法制備出的光阻膜的電子遷移率適中，n比熱蒸發(fā)法制得的Bi2S3薄膜低五個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于減少器件中的暗電流[5]。

Bi2S3電阻的穩(wěn)定性極佳。即使在空氣中存放1個(gè)月后，CASC-Bi2S3仍可以保留其初始性能。即使在空氣中存儲(chǔ)3個(gè)月后，TRMC瞬態(tài)也保持其初始φΣμmax值。由于其穩(wěn)定的特性，使其在熱電、電子和光電子器件以及紅外光譜學(xué)上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。室溫下Bi2S3的帶隙能約為1.33eV，可用來制作光電轉(zhuǎn)換器，并廣泛應(yīng)用于熱電冷卻工藝中。

2.3 帶有ZnO膜的光敏電阻

ZnO是一種直接帶寬的帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下的帶隙為3.37eV，對(duì)應(yīng)的波長在紫外波段，其內(nèi)部的光電效應(yīng)可用于制造紫外光敏電阻。紫外光敏電阻器的研制是利用掩膜板在ZnO薄膜上蒸鍍鋁電極來實(shí)現(xiàn)的。在0～10V的電壓范圍內(nèi)，光敏電阻的暗電阻和亮電阻保持恒定。其中，暗電阻的阻值約為4*1010Ω，而耐光的阻值約為1.7*105Ω。光敏電阻的暗阻比高達(dá)2.3*105[6]。

在不同波長的光照射下，光敏電阻顯示出不同的光敏特性。在波長小于360nm的范圍內(nèi)，光敏電阻顯示出很高的響應(yīng)度。而后，在中波區(qū)域響應(yīng)度急劇下降，在長波區(qū)域幾乎為零。值得注意的是，長波區(qū)域的響應(yīng)比紫外區(qū)域的響應(yīng)小兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明ZnO薄膜具有較高的質(zhì)量[3]。

紫外線光敏電阻在軍事和民用等許多領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。它可廣泛用于光譜分析，火焰?zhèn)鞲?，天文學(xué)，導(dǎo)彈火焰尾部檢測(cè)和預(yù)警等領(lǐng)域，由于類似的原理，紫外線光敏電阻有時(shí)也被稱為紫外光導(dǎo)管，或更籠統(tǒng)地歸類為紫外線光電導(dǎo)檢測(cè)器[7]。這種光敏電阻的特點(diǎn)是不受陽光的干擾，精度高。它是全天候的高效光敏器件，因此具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值[8]。

3 結(jié)語

這三種光敏電阻都有各自的特點(diǎn)與合適的應(yīng)用場合。ZnO光敏電阻是一種優(yōu)秀的紫外線光敏電阻。它的耐暗光比比普通的紫外線光敏電阻高，這意味著它更精確，且不會(huì)受陽光干擾。Bi2S3光敏電阻的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以長期使用。并且由于其高的開關(guān)比率，它們更適合于光敏應(yīng)用。對(duì)于鈣鈦礦型光敏電阻而言，高PbI2摻雜的光敏電阻不僅改善了其化學(xué)穩(wěn)定性，還增強(qiáng)了鈣鈦礦型的光電性能，使其在光電檢測(cè)中表現(xiàn)更好。

所有這些光敏電阻都有各自的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場景，使其可以在許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。光敏電阻行業(yè)仍在不斷發(fā)展，未來將有越來越多的高性能光敏電阻被發(fā)明出來，并帶來更加便捷的智能化光敏電阻。