量子阱红外探测器（QWIP）是一种基于量子阱子带间跃迁的半导体器件，具有工艺设备成熟，材料均匀性好的优点，已经成功应用在共聚焦平面探测、高频探测等多个领域。针对QWIP单元器件的优化一直都是QWIP探测器研究的重点。本文从GaAs/AlxGaAs1-x材料体系的典型QWIP设计结构出发，讨论了器件参数和工作条件对于背景限制温度（TBLIP）和探测器的品质因数之一探测率的优化；并研究了不同工作模式下，QWIP探测器的可能获得的性能极限。首先研究了针对QWIP的TBLIP优化。此前普遍接受的获得最高TBLIP的掺杂浓度优化条件为费米能级满足等式EF=kBTBLIP,其中kB是玻尔兹曼常数。获得该结论使用了忽略温度对费米能级的影响近似条件，然而该近似条件在QWIP真实工作状态中并不是严格成立。因此本论文严格考虑温度和掺杂浓度对费米能级共同影响，数值模拟了不同掺杂浓度对TBLIP的影响。数值模拟结果表明掺杂浓度降低TBLIP升高，并不存在TBLIP最优化掺杂浓度。通过实验测量了一个系列不同掺杂浓度的9微米QWIP样品的TBLIP，结果表明修正后模型得到的数值模拟结果与实验符合得更好，验证了理论分析的正确性。使用Ershov的增益模型分析了探测器增益与TBLIP的关系，提出通过降低俘获几率pc，减少掺杂浓度，减少周期数可以进一步优化提高TBLIP。随后研究了针对QWIP的探测率的优化设计。严格考虑温度和掺杂浓度对费米能级共同影响，从理论上将此前普遍接受的探测率的最大的掺杂费米能级条件“EF=2kBT法则”修正为EF=1.37kBT，修正后在暗电流噪声限制模式下的QWIP的探测率理论值比修正前提高2.8%。通过实验测量不同掺杂浓度典型设计QWIP系列样品探测率，证明了通过改变掺杂浓度实现暗电流模式下探测率优化的可行性。进一步利用自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，模拟掺杂轮廓对量子阱电子分布以及对费米能级的影响，完善了通过设计费米能级进一步提高探测率的优化方法。另外，分别针对探测器在背景噪声限制模式以及暗电流噪声限制工作模式下，讨论了俘获几率和量子阱周期数对器件探测率的影响。通过改变调控器件俘获几率pc对D*进行优化，并针对两种不同工作模式下D*优化模式差别，提出可以采用折中工作点平衡方法。考虑到面向FPA应用的探测率，提出在保证高均匀性同时，对于低光通量以及低光学孔径的环境，优先优化探测率；此外适当增加掺杂浓度提高光吸收率有利于FPA整体性能的优化方案。最后针对强背景、强信号光通量的应用（例如激光光谱应用场景），提出利用强光信号对暗电流噪声的抑制作用，理论上一定信噪比条件下，可以提高器件工作温度，达到近室温工作的信号噪声限制的性能极限。根据典型设计QWIP的电子能态分布的特点，利用了2D+3D电子能态模型分析了近室温QWIP条件下费米能级的随温度和掺杂浓度依赖关系，并通过实验测量了近室温QWIP暗电流，验证了该分析方法适用于近室温工作条件下不同掺杂浓度的器件设计。另外，本论文还模拟了QWIP在能够承受的光强条件下达到信号噪声限制，特别是不同探测波长条件下对信号光功率密度要求。工作温度250K——TEC制冷器温度范围，理想状态下峰值波长12微米及以下的QWIP可以实现信号噪声限制。工作温度200K，接近TEC制冷器工作极限，3~15微米典型设计理想条件的QWIP可以实现信号噪声限制。QWIP有望应用于高工作温度、结构紧凑的激光光谱探测以及近室温的痕迹气体分析。