基于内部光发射原理的热载流子(包括热电子和热空穴)光电探测器作为一种新型光电探测方案,具备突破半导体禁带限制、室温运行和零偏压下工作等优点,并在工作波长、探测带宽以及偏振相关性方面具有很高的可调谐性,从而获得广泛关注。但是,热载流子散射所致热化损失、肖特基势垒阻挡以及动量失配等因素导致器件的光电性能普遍较低。本论文从器件内在物理过程出发,基于实际的热电子和热空穴器件进行全面的比较研究;利用蒙特卡罗计算模型分析不同几何结构和尺寸对热载流子注入效率的影响。本论文主要研究内容概括如下:(1)首先介绍金属/半导体接触以及内部光发射理论,结合第一性原理系统探究热载流子能量分布、弛豫时间(寿命)和平均自由程的影响因素,分析热载流子收集的微观机制。除此之外,详细介绍包括电磁理论分析和热载流子输运理论分析(传统三步法理论模型和蒙特卡罗模拟方法)在内的热载流子微观理论模型。(2)以典型的金/硅肖特基接触为例,对热电子及热空穴光电探测进行比较研究,发现热电子与热空穴系统在肖特基结的能带弯曲、能量分布、平均自由程和注入效率等方面存在明显的差异。与热电子相比,高能热空穴的比例较高、传输以及注入效率较大,导致量子效率及光电响应较大。然而,热空穴器件中较低的肖特基势垒会导致较大的暗电流和较小的探测率。除此之外,研究分析了变化的势垒和共振波长对两种热载流子器件光电性能的影响。(3)以金/二氧化钛系统中的热电子发射过程为例,利用蒙特卡罗方法对单/双结平面结构、圆柱结构以及单/双结核壳结构的注入效率进行研究分析。在3eV的入射光子能量下,金厚度为5 nm的单结平面结构的注入效率为5%,超过Fowler极限效率。与单结结构相比,同样尺寸的双结平面结构,其注入效率增加。基于二氧化钛纳米线/金/二氧化钛的双结核壳结构中金厚度为5 nm、纳米线半径为50 nm、入射光子能量为3eV时,注入效率约为Fowler极限效率的1.5倍。当增加金尺寸为50 nm时,双结核壳结构的注入效率降至2.14%。由于注入效率随TiO2半径的减小而增大,当半径为5 nm时注入效率约为2.18%,高于圆柱结构(2.17%)。结果表明结构的几何形状及尺寸会影响热电子注入效率。尤其是小尺寸结构,注入效率显著提高并超出Fowler极限效率。热电子及热空穴光电探测比较性研究阐明两种热载流子器件的内在物理差异,并比较了热空穴和热电子光电探测的关键性能参数;与传统三步法模型相比,蒙特卡罗模拟方法对热载流子基本物理过程的计算更加严谨。本研究为更好地掌握热载流子光电探测的本质以及热载流子器件的优化设计提供参考。