红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出，折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式，可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性，并且可以借助后端软件综合优化版图布局，从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18 µm 标准CMOS工艺完成了中心距15 µm的640×512读出电路设计及流片验证，并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试，结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗，电路读出总功耗小于80 mW，列级功耗仅为15 mW，读出速率达到15 MHz，可编程开窗IP核功能正常，可以实现指定区域的开窗功能。

三五族化合物半导体具有丰富的特性，使其在电子学、光电子学以及光子学领域获得了各种应用，这些都源自于三族元素和五族元素构成之二元系的各种魔幻组合形成的多变特性。本文基于二元系砷化物、磷化物及锑化物，对其构成的各种三元系、四元系和五元系的特征进行了几何图示阐述，主要涉及其带隙、晶格常数及其与不同衬底的晶格匹配区域。对氮化物和稀氮、铋化物和稀铋以及硼化物的一些特性也进行了简要讨论。通过对整个三五族化合物半导体的全面了解将有助于深入了解其潜力和可持续发展态势，包括存在的诸多挑战。

目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出，引入脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）结构，同时为保证弱信号时的注入效率，结合CTIA输入级，对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制（PFM）读出方法，在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题，并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示，提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB，为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案，并为数字化读出电路设计奠定理论基础。

为提高动态范围，提出一种针对InGaAs焦平面电容负反馈放大型输入级的残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字读出电路。建立了电容负反馈放大型输入级的脉冲频率调制数字化理论转换模型，分析了积分电容残余电荷和复位遗失电荷引起的转换误差和线性度问题。基于0.18 μm CMOS工艺设计了线列光谱组件用双积分电容残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字化结构，改善了转换误差和线性度，实现了16位粗略转换与最大16位精细转换的融合，为短波红外光谱组件的野外复杂场景应用提供了一种大动态范围的数字读出方案。

单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景，InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度，通过计量光子飞行时间实现距离探测，时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度，是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路（Time to Digital Converter, TDC），采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享，基于压控延迟链（Voltage Control Delay Line, VCDL）分相时钟实现亚纳秒计时；中高段位每个像素独享，中段位采用分频计数器降低时钟频率，降低阵列整体功耗，高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 µm CMOS工艺流片，实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns，积分非线性−0.4~0.6 LSB，微分非线性−0.4~0.4 LSB，TDC转换单调，有效量程位数13位，20 kHz帧频功耗380.5 mW。