集成电路行业发展至今,在以Si基器件为主流的基础上,遵循与推进着摩尔定律的演进步伐,取得了巨大成就。然而随着集成电路工作频率的进一步提升与器件尺寸的不断缩小,芯片中电互连寄生效应对芯片速度、功耗以及可靠性的影响变得不容忽视。为进一步提升半导体器件集成度与性能,研究者从材料、器件结构等多个角度出发寻求解决方案,光电集成技术成为研究关注重点之一。锗(Ge)半导体在张应力作用下,Γ能谷与L能谷之间能量差减小,其能带结构可由间接带隙型转变为准直接带隙型Ge半导体(PD-Ge)。配合重掺杂,PD-Ge半导体的载流子辐射复合效率与载流子迁移率大大提升,适于制造光器件与高速电子器件,从而具备了单片同层光电集成的应用潜力,成为领域内研究的重点与热点。能带结构模型与迁移率模型作为单片同层光电集成系统中器件研究的理论基础,是改进光电子器件设计的关键,而在目前关于PD-Ge的研究中仍缺乏相关报道,特别是关于PD-Ge MOS反型层能带结构与迁移率的研究尤其相对匮乏。有鉴于此,本文首先采用k.p微扰理论与单电子近似方法建立PD-Ge导带价带结构色散关系模型与能带参数模型;在此基础之上,结合考虑MOS器件垂直电场对能带结构的量子化作用,研究PD-Ge MOS沟道反型层能带结构及其关键物理特性,通过采用三角势阱近似与包络函数方法,建立其反型层能带结构与主要物理参数模型。此外还通过材料制备和PL谱分析对本文所建立PD-Ge半导体材料能带结构色散关系模型予以验证。在本文所建立能带结构模型的基础上,根据费米黄金法则,考虑各种散射势能,结合玻尔兹曼方程碰撞项近似关系,得到了PD-Ge电子和空穴各种散射机制模型;进一步深入研究载流子迁移率等物理参量,建立PD-Ge半导体及其MOS反型层载流子迁移率的量化解析模型。此外使用蒙特卡洛模拟方法对比验证了PD-Ge半导体载流子迁移率模型结果。最后,在本文得到PD-Ge半导体与反型层能带结构与载流子迁移率等相关量化结论的基础上,提出一种50nm沟道PD-Ge P型MOS结构。通过TCAD工具仿真PD-Ge MOS器件模型,并对器件模型相关特性仿真结果进行分析。在此基础上,结合对MOS器件工作机制的研究,对沟道长度、栅介质厚度、衬底掺杂浓度等器件模型结构参数对器件相关电学性能的影响进行仿真和讨论分析。本文突破理论计算研究,建立PD-Ge半导体与MOS反型层能带结构和迁移率的量化解析模型,为PD-Ge材料物理的理解以及PD-Ge材料单片同层光电集成系统设计提供重要理论依据。