中红外波段具有重要的研究和应用价值,不仅覆盖了常用的3~5μm和8~14μm两个大气窗口,并且包含了大量分子的吸收峰,是痕量气体检测、中远程大气通信、环境监测、军事信息对抗等众多应用的工作波段。由于自然界缺少激射波长处于中红外波段的材料,因此中红外激光器的研究具有极大挑战。量子级联激光器(QCL)能够直接工作在中红外频段,具有体积小、结构简单、寿命长、可与集成电路集成等优点,具有重要的研究和应用价值。可调谐的QCL够降低系统复杂度和应用成本,实现波段更宽的探测范围,提高探测系统性能,虽然研究人员通过多种方式努力实现QCL的可调谐性,但是往往具有制造难度高、使用成本高、可靠性低等缺点,难以大规模应用。本论文研究的晶体管注入型量子级联激光器(TI-QCL)在传统QCL的基础上,融合了双极结型晶体管的结构特点,将传统的双端型QCL改进为三端型器件,该结构拥有两个独立的调控电压,可实现输出功率与激射波长的单独调节,具有更好的可调谐性。本论文以TI-QCL的器件特性作为重点,研究了大量用于该器件的建模与仿真的算法,包括自洽薛定谔-泊松方程算法、复势能边界薛定谔方程数值求解(NCPB)算法、非均衡态格林方程(NEGF)算法等,为器件的研究提供了大量的理论支撑与研究工具。在仿真算法的基础上,本论文主要针对对TI-QCL的可调谐性进行了深入的研究,包括器件的理论模型以及实际的仿真结果。通过研究器件内能级与电子的分布和器件的光学增益,对TI-QCL的器件特性进行了详细的分析与讨论,包括中心波长、调谐范围和灵敏度等,实现了9.8μm附近中心波长36.6%的可调谐输出,调谐的灵敏度约为5μm/V,并对器件的温度特性进行了研究。在可调谐性的基础上,本论文对基于TI-QCL超连续谱进行了研究,包括与普通QCL共有的通过改变超晶格周期的结构参数实现光谱展宽,以及TI-QCL独有的通过改变不同周期内的掺杂参数获得周期性的电场强度实现光谱展宽。在两种方式的共同作用下,实现了中红外波段的光谱展宽范围,并且在光谱范围内具有较为良好的平坦性。通过本论文的研究,证实了TI-QCL与传统QCL相比,具有更好的可调谐性和宽光谱特性,具备良好的研究价值与发展前景。