晶体管是20世纪的一项重大发明,它的出现改变了人们的生活方式,而以硅材料为基础的光电器件则以其低成本、低功耗、易于大规模集成的优势迅速占据了大部分电子市场,并广泛应用于可见光波段的成像与探测领域。而新型“零维”量子点随着材料技术的进步与发展,近年来成为了光电探测领域的研究热点。吸收峰在近红外波段的量子点材料的典型代表是Pb S和Pb Se量子点,其具有玻尔半径大、低成本、易于合成、可沉积在任意衬底上等优点而被广泛研究。量子点由于三个维度上的尺寸很小而展现出了独特的光电特性,例如量子尺寸效应、表面效应、多激子产生效应等,这些特征十分适合与成熟的硅基器件相结合,从而能够应用于硅基红外光电探测领域。本论文以铅族量子点和硅基光电器件的结构为研究对象,使用半导体工艺模拟以及器件仿真工具TCAD来设计基于量子点的硅基光电器件,研究器件的探测机理与结构参数。在实验中采用成熟可控的Pb S量子点材料结合硅外延衬底,制备了Pb S量子点硅基光电探测器并研究了其光电性能,利用热注入法合成了具有不同第一激子吸收峰的Pb Se量子点,制备了具有光谱选择性的量子点硅基光电器件。最终,结合仿真与实验结论,制备了1×64的线列化Pb Se量子点硅基光电探测器,并系统地研究了器件的光电性能。本论文的研究内容可以总结为以下四个方面:1.基于Sentaurus TCAD半导体仿真软件研究了量子点硅基复合结构的光电探测器。通过理论仿真分析了光伏场效应晶体管结构的探测机理与增益来源,研究了不同结构参数、材料掺杂对器件性能的影响。结合Sentaurus Device物理特性仿真工具分析了该光电探测器响应电流变化的内在原因,并为接下来的实验提供参考参数。仿真结果表明沟道与衬底之间的耗尽层宽度随掺杂浓度的增加而减小,沟道长度越小器件的响应度与外量子效率（External quantum efficiency,EQE）越高。仿真器件的最大响应度达到2.75×103 A/W,相应的比探测率（Normalized detectivity,D*）为3.58×1012 Jones,EQE达到了8577.6%。2.研究了基于Pb S胶体量子点的硅基光电探测器,设计了新型结型场效应晶体管的探测结构,有效平衡了传统量子点材料难以同时实现高响应度与快速响应时间的难题。研究了光敏层能带匹配的优化对器件响应时间的影响,并最终拓展了硅基光电器件的响应截止波长,实现了高响应度与快速响应时间的并存。该Pb S胶体量子点采用室温溶液法制备,因此易于器件集成。Pb S量子点硅基光电探测器在Pb S-EDT层的加入下,对808 nm的入射光的响应时间减小至211/558μs。由于Pb S胶体量子点的吸收范围覆盖可见光至近红外,因此该器件对405 nm至1550 nm的入射光均有响应,表现出了宽光谱响应的特性,器件最大响应度达1615 A/W,外量子效率EQE和D*分别达到4.96×105%和3.95×1012 Jones。3.提出了一种基于量子点带隙可调特征的光谱选择性光电探测器,创新性地提出并验证了将光谱选择功能直接集成到单元探测器件上,解决了红外探测技术中可见光波段对器件性能的影响,同时简化了红外探测系统中复杂的光机结构。该器件成功实现了目标光对非目标光探测的高选择因子,其选择因子比非目标光的至少高出一个数量级。该选择性光电探测器在通信波段1550 nm处的响应度达到了613 A/W,对应的EQE和D*分别是5.02×103%和4.8×1010 Jones。同时,滤光层的加入对器件响应时间基本没有影响,器件在1550 nm下的响应时间低至37.9/92.3μs。通过对作为滤光层的小尺寸胶体量子点薄膜的光学测量,计算了薄膜厚度对不同波长入射光的透射特性,为实际器件的滤光层制备提供了理论依据。4.基于前述器件仿真与单元器件的工作基础,研究了线列器件的可行性。为了验证将低维量子点与硅基器件耦合的可行性,首次设计了线列规模为1×64的Pb Se量子点硅基光电探测器,对研制单片式集成的阵列光电器件提供了一定的参考价值。