随着新兴信息技术的飞速发展,高响应、小体积的光电器件也越来越受到研究者们重视。目前,常用的半导体材料禁带宽度大多处于紫外到近红外波段内且不利于器件的微型化发展。基于等离激元共振的热电子探测器不仅可以极大提升器件的效率,方便进行共振协调,同时也能够解决器件因需要制冷而不利于微型化的缺陷。但是目前热电子器件的研究主要局限于可见-近红外波段,对中红外热电子器件研究设计的文献报告极少,且缺乏器件共振机理的研究。探究中红外下热电子器件光电转换过程及损耗原因,对新型探测器件的研究具有重要的理论意义和潜在的工程应用价值。本文的主要研究内容为:结合开源电磁场计算软件包Meep,基于精英保留的遗传算法对二维Al/GaAs叠层热电子器件及三维渔网结构热电子器件进行了光学结构优化设计,实现了正入射下的高光学响应特性,并同时探究了不同角度斜入射下的器件光学吸收特性,构建MLC等效电路模型解释了器件共振产生的机理。优化后的二维叠层结构能够在4μm的目标波段处光谱吸收率为0.9991,品质因子Q为22.32;但在斜入射条件下,优化后的二维窄波热电子器件只能在±30°的范围内使得目标波长光谱吸收率达到0.85以上。优化后的宽波热电子器件在3-5μm波段内产生了4个共振峰,平均光谱吸收率αavg为0.6085;在±45°的大角度范围内,仍然能够保持在0.61左右的平均吸收率。优化后的三维渔网结构在降低器件复杂度的基础上实现了相较于二维窄波热电子器件更好的正入射光谱吸收率,在4μm的目标波段处光谱吸收率为0.9996,但是只能在±15°的斜入射范围内能够保证接近于1的目标波长光谱吸收率。计算了优化后的二维叠层及三维渔网结构热电子器件的电响应特性,探究了施加外加偏压对热电子器件的电响应特性的影响,并对外加电压对电响应的影响机理做出解释。在1V/m的目标波长为4μm的TM波正入射下,二维叠层窄波热电子器件的光电流Iph=0.217nA/m,对应的电响应度R=109.23mA/W,相较于文献结果响应度提高了15.56%。在功率1W的目标波长为4μm的TM波正入射下,考虑高能热电子在Al薄层中的多次反射及材料热电子能量分布情况,三维渔网结构热电子器件的光电流Iph=157.05mA,电响应度R=157.05mA/W,相较于二维叠层Al/GaAs光栅结构窄带探测器降低了结构复杂性,探测响应度R提高了43.78%。同时,随着外加偏压Vapp的增加,器件的探测响应度R也逐渐提高。进行了热电子探测器的能量损耗分析。对于宽波段热电子探测器而言,器件能量损失主要集中在器件的光反射及透射。在电响应特性中,器件的损失机理主要在于热电子的热化。4μm光波入射到Al材料时,能够发射转移的热电子只占生成热电子总量的88.45%,动量足够的热电子也有接近80%在界面多次反射中因为动量失配被损耗。合理选择热电子器件的材料及采用正向偏压降低器件的界面势垒将是有效解决电响应损失的有效方法。本文通过采用遗传算法对Al/GaAs热电子器件进行优化,开展了二位叠层及三维渔网结构热电子器件光电响应特性研究并对其共振机理进行了解释说明,并尝试设计出一种具有较好的光电响应特性的中红外热电子探测结构,这将对新型探测器件的研究具有重要的理论意义和潜在的工程应用价值。