本文按照第一性原理方法并利用k·p理论对InAs/(In)GaSb超晶格的电子能带结构、力学和光学特性进行了系统的计算和分析,着重探讨了InAs/(In)GaSb超晶格在光电子应用中的一些重要问题:结构优化、俄歇寿命、界面结构与弛豫、低维系统(原子链、纳米线和纳米管超晶格)等。在此基础之上,设计了一种在同一材料(工作区)上实现两个波段同时探测的双色红外光电探测器,简单模拟了光电流响应谱。最后,对在InAs/(In)GaSb超晶格等低维结构半导体中可能存在的非粒子反转量子相干红外激光发射机制进行了理论分析和讨论。文中首先介绍了InAs/(In)GaSb超晶格的研究背景、相关的材料特性和几种基本的光电子探测元件以及能带结构的一般计算方法。阐述了密度泛函理论(DFT)体系及其数值计算方法在近几十年来取得了巨大发展,被广泛应用于物理、化学、材料和生物等学科的理论研究中。对第一性原理计算的基本理论(密度泛函理论)及其扩展形式进行综述,并简要介绍了一些第一性原理计算软件包。利用包络函数近似的8带k·p理论对长波红外探测的自立[001]InAs/InxGa1-xSb超晶格的能带结构和光学性质进行了系统的计算,其中包括各个主要子能带的能级与色散、截止波长、C1和HH1子带宽度、动量矩阵元、C1子带在布里渊区中心的有效质量。根据计算结果针对结构优化的问题进行讨论和分析,对于所计算的各种物理量指出了InAs/InxGa1-xSb超晶格优化结构的参数区域。从理论上证明了通过结构优化可使多参变量的InAs/InxGa1-xSb超晶格应用于高探测率的长波红外(LWIR,8?14μm)光电探测器。根据8带k·p理论计算的能带结构,用三种俄歇复合过程同时受抑制的机制对InAs/InxGa1-xSb超晶格的结构进行优化,使其能够应用于高探测率LWIR探测器。通过第一性原理的完整形式,基于全势能线性化增广平面波方法确定的精确能带结构和波函数,推算了技术上具有重要意义的窄带隙半导体超晶格中载流子俄歇复合时间。n-掺杂HgTe/CdTe和InAs/InxGa1-xSb超晶格的空穴俄歇寿命的计算结果与一些实验结果非常接近,说明该计算模式可以作为一种精确的手段用于计算窄带隙超晶格材料的载流子俄歇寿命。通过广义梯度近似的第一性原理全电子相对论计算,研究了不同界面类型InAs/GaSb超晶格的界面结构、能带结构和光吸收特性,着重考查并分析了超晶格界面层原子发生弛豫的影响。通过计算InAs/GaSb超晶格的电子总能量和应力来确定弛豫界面结构。计算结果表明,界面Sb原子的化学键和离子性对InAs/GaSb超晶格的界面结构、能带结构和光学特性起着至关重要的作用。对InAs/GaSb超晶格的三种低维结构进行了第一性原理研究,一共分为三部分。第一部分利用第一性原理赝势平面波法以及DFT数值基组展开和非平衡格林函数相结合的方法,对InAs/GaSb原子链超晶格的原子结构、力学特性、电子能带结构和声子结构、量子输运和光学特性进行计算。与二维层结构的InAs/GaSb超晶格相比,InAs/GaSb原子链超晶格的能带结构有明显的不同,随超胞中InAs和GaSb双原子数量的多少而变化,在某些情况下表现出金属能带特性。通过对声子的完整布里渊区分析来研究InAs/GaSb原子链超晶格的结构稳定性。量子输运特性的计算表明电导随链长和应变的改变而发生变化。某些结构的光吸收谱表现出在红外波段的陡峭吸收边,截止波长随原子链超晶格的结构而改变。第二部分用与第一部分类似的第一性原理方法来计算轴线沿[001]和[111]闪锌矿晶体学方向的(InAs)1/(GaSb)1纳米线超晶格(下标表示分子或双原子单层的数量)的结构、电子、力学和光学特性。计算结果表明,由于表面的影响,径向晶格常数随线径的减小而减小;和普通的单一材料纳米线类似,(InAs)1/(GaSb)1纳米线超晶格的杨氏模量和泊松比随线径的减小分别减小和增加。(InAs)1/(GaSb)1纳米线超晶格带隙宽度随线径变化呈现1/Dn(D为纳米线直径,n<1)的趋势。由于能带色散随轴向应变发生变化,有效质量会随轴向应变而发生变化,甚至在小线径结构中会发生直接带隙向间接带隙的转变。第三部分利用第一性原理赝势平面波法计算了(10, 0) InAs、GaSb、InxGa1-xSb纳米管和InAs/InxGa1-xSb纳米管超晶格的结构和电子特性。InAs、GaSb和InxGa1-xSb纳米管表现为半导体直接带隙。InAs/InxGa1-xSb纳米管超晶格(0<x<0.4)表现出二类断带隙的能带排列,并且直接带隙宽度随纳米管超晶格的结构显著变化。最后,设计了一种新结构InAs/InxGa1-xSb超晶格双色光电探测器,在同一探测材料的相同工作区上完成短波和长波红外两个波段光谱的同时探测。该结构是用特殊的杂质掺杂和层结构以及双外部电路来分离并检测两个波段红外光谱的光电流。两个红外波段的光响应率模拟值与一些文献报道的相应单色探测器可以相比较。还提出了一种在非粒子反转条件下量子阱、超晶格和量子点激光器的红外发射机制。它们是基于在同一作用区产生并作为红外场量子相干源的两种带间跃迁激光场的共振非线性混合。在理想条件下,频率下转换的内部效率可以达到量子极限值。根据红外发射的可参变特性,这种非粒子反转的方法尤其适用于长波红外工作波段。