浅谈不同化学成分对光敏电阻薄膜特性的影响——以高PbI2掺杂水平的钙钛矿光阻膜、Bi2S3光阻膜、ZnO光阻膜为例

（中国地质大学（北京）信息工程学院，北京 100080）

0 引言

光敏电阻器是一种特殊的电阻器，通常由硫化镉，硒，铝的硫化物和锌等制成。当这些材料被特定波长的光线照射时，其电阻值会迅速减小。其原理是由光产生的光电子子本身参与传导，在电场的影响下，漂移运动使光电子到达电源的正极，空穴作为电源的负极，因此使得电阻值迅速下降[1]。作为普通电子设备，光敏电阻的发展已有90多年的历史。随着技术的飞速发展，光敏电阻作为电子工业的基本组成部分，其生产工艺仍在不断进步。不同的材料会赋予光敏电阻不同的特性，可以根据不同的应用场合选择合适的类型，例如ZnO光敏电阻对紫外线更敏感，通常用于检测紫外线或产生紫外线。PbS，PbSe，PbTe等红外光敏电阻已广泛用于国防，科研和工农业生产领域，如红外通信，导弹制导，人体疾病检测，中红外太阳极化等。测量，非接触式测量等。Se，CdS，CdSe，CdTe，GaAs，Si，Ge，ZnS等可见光光敏电阻在光电计数器，烟雾报警器，太阳跟踪系统中具有广阔的应用前景。光敏电阻已广泛应用于电子工业，工业和农业生产，医疗和军事方面，光敏电阻的发展对于促进这些领域的发展和需求具有重要的战略意义[2]。

1 光敏电阻的属性

（1）光电流和亮电阻。光敏电阻在某一光照下的阻值称为亮电阻。此时流过的电流则称为亮电流。

（2）暗电流和暗电阻。在经过一段时间的无光照条件下所测得的光敏电阻的阻值称为暗电阻，此时，在光敏电阻两端施加电压，得到的电流为暗电流。

（3）灵敏度。暗电阻与光电阻的相对变化值称为灵敏度。

（4）光谱响应。光谱响应，也称为光谱灵敏度，是指光敏电阻在被不同波长的单色光照射时的灵敏度。如果在不同波长下绘制灵敏度，则可以得到光谱响应曲线。

（5）光照特性。指光敏电阻的阻值随光照度的变化而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着光强度的增加，光敏电阻的电阻开始迅速减小。如果进一步增加光强度，则电阻值的变化减小，然后逐渐趋于平缓。

（6）伏安特性。在一定的照度下，加到光敏电阻上的电压和电流之间的关系称为伏安特性。在给定的偏置电压下，光照度越大，光电流越大。在一定的照度下，施加的电压越大，光电流越大，并且没有饱和。但是，电压不能无限增加，因为每个光敏电阻都受到额定功率，最大工作电压和额定电流的限制。如果工作电压和电流超过最大工作电压和最大额定电流，可能会永久损坏光敏电阻。

（7）温度系数。光敏电阻的灵敏度受到温度的影响。部分光敏电阻在不同的温度下展示出不同程度的灵敏度

（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻在特定线路中允许消耗的功率。

2 不同材料的光敏电阻及其特性

以下是几种不同类型的光敏电阻薄膜：

2.1 具有高PbI2掺杂水平的钙钛矿光敏电阻薄膜

对于AMX3化学计量的某些钙钛矿材料，化学成分是影响电阻性能的关键因素。CH3NH3PbI3（MAPbI3）是研究最广泛的太阳能电池和光电探测器光敏层材料之一。

MAPbI3膜中略微过量的PbI2在一定程度上提高了太阳能电池性能。过量的PbI2可以改善钙钛矿薄膜的结晶度，并使电子转移至TiO2层，从而使平均电池效率提高到18%[3]。PbI2填充钙钛矿的晶界，不仅减少了陷阱位点的数量，而且产生了明显的能带弯曲。因此，PbI2的掺杂水平在钙钛矿的化学稳定性和光电性能中起着重要作用[4]。

目前，这种光敏电阻被广泛应用于太阳能电池中，MAPbI3是一种理想的光吸收材料，它可以大幅度地提高电池的转换效率[5]。但由于薄膜自身的不稳定的特性以及较短的使用周期，因此想使其完全投入商业化使用仍需要进一步的改善。

2.2 Bi2S3光阻膜

硫化铋（Bi2S3）是一种2D层状可见光吸收半导体,常规的膜制造工艺需要权衡不受控制的成核与生长步骤导致薄膜呈现出关闭状态。通过改良制备方法的Bi2S3薄膜，表现出了适中的霍尔效应电子迁移率，并且具有优异的光阻性能，与普通的薄膜相比，其具有更佳的光电导和开-关比。通过改良方法制备的光敏电阻的载流子在室温下受声子散射控制而在低温下受跳跃跃迁控制，服从能带传输，值得注意的是，室温下的霍尔效应测量表明，改良方法制备出的光阻膜的电子迁移率适中，n比热蒸发法制得的Bi2S3薄膜低五个数量级，有利于减少器件中的暗电流[5]。

Bi2S3电阻的稳定性极佳。即使在空气中存放1个月后，CASC-Bi2S3仍可以保留其初始性能。即使在空气中存储3个月后，TRMC瞬态也保持其初始φΣμmax值。由于其稳定的特性，使其在热电、电子和光电子器件以及红外光谱学上具有潜在的应用价值。室温下Bi2S3的带隙能约为1.33eV，可用来制作光电转换器，并广泛应用于热电冷却工艺中。

2.3 带有ZnO膜的光敏电阻

ZnO是一种直接带宽的带隙半导体材料，室温下的带隙为3.37eV，对应的波长在紫外波段，其内部的光电效应可用于制造紫外光敏电阻。紫外光敏电阻器的研制是利用掩膜板在ZnO薄膜上蒸镀铝电极来实现的。在0～10V的电压范围内，光敏电阻的暗电阻和亮电阻保持恒定。其中，暗电阻的阻值约为4*1010Ω，而耐光的阻值约为1.7*105Ω。光敏电阻的暗阻比高达2.3*105[6]。

在不同波长的光照射下，光敏电阻显示出不同的光敏特性。在波长小于360nm的范围内，光敏电阻显示出很高的响应度。而后，在中波区域响应度急剧下降，在长波区域几乎为零。值得注意的是，长波区域的响应比紫外区域的响应小两到三个数量级，这表明ZnO薄膜具有较高的质量[3]。

紫外线光敏电阻在军事和民用等许多领域具有非常重要的应用价值。它可广泛用于光谱分析，火焰传感，天文学，导弹火焰尾部检测和预警等领域，由于类似的原理，紫外线光敏电阻有时也被称为紫外光导管，或更笼统地归类为紫外线光电导检测器[7]。这种光敏电阻的特点是不受阳光的干扰，精度高。它是全天候的高效光敏器件，因此具有独特的应用价值[8]。

3 结语

这三种光敏电阻都有各自的特点与合适的应用场合。ZnO光敏电阻是一种优秀的紫外线光敏电阻。它的耐暗光比比普通的紫外线光敏电阻高，这意味着它更精确，且不会受阳光干扰。Bi2S3光敏电阻的化学结构稳定，可以长期使用。并且由于其高的开关比率，它们更适合于光敏应用。对于钙钛矿型光敏电阻而言，高PbI2掺杂的光敏电阻不仅改善了其化学稳定性，还增强了钙钛矿型的光电性能，使其在光电检测中表现更好。

所有这些光敏电阻都有各自的优势和应用场景，使其可以在许多领域中得到广泛应用。光敏电阻行业仍在不断发展，未来将有越来越多的高性能光敏电阻被发明出来，并带来更加便捷的智能化光敏电阻。