高温工作探测器是第三代红外焦平面发展的重要方向之一。带间级联探测器结合了势垒结构与多级吸收区结构的特点，通过多量子阱弛豫和隧穿实现光生载流子单方向输运，可以有效降低来自PN结耗尽区的产生-复合暗电流；利用多级短吸收区结构，在扩散长度很短的情况下仍然可以有效地收集光生载流子，从而可以提高探测器在高工作温度下的探测性能。本文主要介绍了作者在带间级联红外光电器件方面的研究进展，包括高工作温度带间级联探测器、高带宽带间级联探测器以及带间级联发光器件等。

在液氮冲击实验中, 锑化铟红外焦平面阵列探测器中各层材料之间线膨胀系数的不同将导致热失配产生, 过大的热失配应力将引起锑化铟芯片断裂失效。为了降低热失配对锑化铟芯片的影响, 基于弹性多层体系热应力计算理论, 借鉴平衡复合物结构设计方法, 优化平衡复合物结构上表面的热应变, 使得平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变尽可能接近锑化铟芯片下表面的热应变, 从而大幅降低锑化铟芯片中的热应力。考虑器件加工工艺成熟度, 经一系列计算表明: 当硅读出电路的厚度取 25.m时, 平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变与 InSb芯片下表面的热应变最为接近, 此时锑化铟芯片中的拉应力最小。锑化铟芯片中拉应力的大幅降低, 将为消减液氮冲击中锑化铟芯片的碎裂几率提供可以信赖的结构设计方案和实现途径。

受红外焦平面阵列生产工艺及材料本身特性影响, 红外焦平面阵列不可避免地存在盲元, 严重困扰红外数据的处理与应用。光栅分光推扫式热红外高光谱成像仪一般以红外焦平面阵列的其中的一维作为光谱维进行推扫式成像, 空间维只剩一维, 与一般的热像仪具有二维空间维的成像机制有很大区别。常规的实验室定标法和开窗处理的场景检测方法不能满足该成像方式的盲元检测需求。以热红外高光谱成像仪中的盲元检测为目标, 有针对性地提出了基于光谱匹配的盲元检测算法。该方法从光谱维角度出发, 以不同温度实验室黑体定标数据生成温升光谱数据, 在数据规则化处理的基础上, 自动提取有效像元目标的伪光谱曲线, 采用光谱角匹配的方式实现盲元的自动检测。以典型的热红外高光谱成像仪获取数据并开展盲元检测实验, 结果表明该方法充分利用了热红外高光谱成像仪的光谱维信息, 检测精度较高, 盲元补偿后的数据可满足热红外高光谱数据的行业应用。

高增益探测对 InGaAs焦平面探测器在微光夜视条件下成像有重要意义。设计了一款 InGaAs焦平面用的高增益低噪声 64×64元读出电路。读出电路输入级采用 CTIA模式（电容负反馈放大），通过计算发现输入级运算放大器热噪声是主要噪声源，采用单端替代差分运放将输入级噪声降低 26%。同时，研究积分电容和增益、满阱容量、噪声的关系，将积分电容降低到 1 fF，实现了超高增益和低噪声探测。读出电路采用 0.18 .m工艺设计，像元中心距为 30 .m。经过 PEX（寄生参数提取）参数提取，实际积分电容为 0.94 fF，经过测试芯片整体功耗低至 24.1 mW，电路噪声电子数为 4.37e。

基于暗电流模型, 通过变温I-V分析长波器件(截止波长为9~10 μm)的暗电流机理和主导机制.实验对比了不同衬底、不同成结方式、不同掺杂异质结构与暗电流成分的相关性.结果表明, 对于B+离子注入的平面结汞空位n+-on-p结构, 替代衬底上的碲镉汞(HgCdTe)器件零偏阻抗(R0)在80 K以上与碲锌镉(CdZnTe)基碲镉汞器件结阻抗性能相当.但替代衬底上的HgCdTe因结区内较高的位错, 使得从80 K开始缺陷辅助隧穿电流(Itat)超过产生复合电流(Ig-r), 成为暗电流的主要成分.与平面n+-on-p器件相比, 采用原位掺杂组分异质结结构(DLHJ)的p+-on-n台面器件, 因吸收层为n型, 少子迁移率较低, 能够有效抑制器件的扩散电流.80 K下截止波长9.6 μm, 中心距30 μm, 替代衬底上的p+-on-n台面器件品质参数(R0A)为38 Ω·cm2, 零偏阻抗较n-on-p结构的CdZnTe基碲镉汞器件高约15倍.但替代衬底上的p+-on-n台面器件仍受体内缺陷影响, 在60 K以下较高的Itat成为暗电流主导成分, 其R0A相比CdZnTe基n+-on-p的HgCdTe差了一个数量级.

红外焦平面阵列各探测元响应的非均匀性降低了图像的质量和温度分辨率，定标类和场景类校正算法为解决该问题提供了可行的途径.传统的基于黑体定标的校正算法由于其简单有效而被广泛使用，但是其缺点在于依赖黑体及其相关控温装置.本文提出了一种改进的基于积分时间定标的两级校正算法.在保持入射辐射不变的情况下，首先通过改变积分时间得到系列响应数据，然后利用最小二乘法估计出两点校正所需的初始校正系数，并对不同积分时间下的响应数据进行初校正，最后估计出一点校正系数.实验结果证明该方法具有计算量小、校正准确度高的优点，可取得优良的校正效果，并易于在硬件平台中实现.

首次在国内报道了用激光调阻法提高线列1×128光导PbS红外焦平面探测器性能的研究成果.针对PbS探测器芯片的特点，用激光调阻法对采用负载电阻分流型电路的焦平面探测器的背景输出电平进行平坦化研究.实验结果表明，用激光调阻使背景电平平坦化之后，通过优化器件的工作参数，探测器平均黑体响应率由4.45×106 V/W提高到8.82×106 V/W; 平均黑体探测率由6.52×109 cm·Hz1/2·W-1提高到1×1010 cm·Hz1/2·W-1; 动态范围由46 dB提高到52 dB.研究结果为今后的薄膜型焦平面探测器实用化提供了参考.

在绝缘衬底上的硅(SOI)制备的二极管型非制冷红外焦平面是利用单晶硅PN结二极管作为温度探测器, 比其它类型非制冷红外焦平面具有自己的独特优势.描述了传统型像素的结构与特性, 并提出一种改进型结构.在传统的像素结构中, 红外吸收结构直接覆盖于二极管表面, 其填充系数仅为21%.改进后的结构将红外吸收层悬空并覆盖整个像素表面, 使吸收结构能够达到80%, 大大提高了器件的吸收率.计算结果也显示改进后的结构在像素尺寸为35μm×35μm时, 器件的灵敏度可达到 7.75×10-3V/K, 等效功率噪声(NETD)可减小至43mK(f/10.0).同时, ANSYS的仿真结果也表明改进后的结构在吸收率上的提高, 证明了此结构的可行性.

针对红外焦平面阵列强度响应的非线性失真现象，本文提出了一种基于单波长激光器测定红外焦平面阵列非线性校正曲线的方法，设计出用于测量的实验装置，并通过实验研究获得了实测的非线性校正曲线。结果表明，该方法规避了红外焦平面阵列光谱响应不均匀性的影响，满足了装置器件在工程技术中通用性和实用性的需要，在简单易行的同时保证了较高的测量精度。

红外焦平面阵列的非均匀性校正是其定量应用之前必须解决的关键难题之一。将基于场景的矩匹配和卡尔曼滤波方法引入到红外图像非均匀性校正中，通过实验对比分析了这两种方法的校正效果。定性与定量分析结果表明：这两种方法各具优缺点，矩匹配方法在低值区会产生新的条带并改变了图像上同一探测器中不同地物的光谱分布差异，而卡尔曼滤波需经过多帧图像数据迭代后，才能取得更好的校正效果。