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随着集成电路产业的发展,研制高性能Si基光电集成电路对于解决集成电路发展的瓶颈问题尤为重要。而锗（Ge）材料由于其直接带与间接带隙能级差仅为0.138eV,通过施加一定的改性条件能够使其转变为直接带隙或准直接带隙半导体材料,这有利于提高其载流子复合效率及载流子迁移率,从而可进一步研制高性能改性Ge光学器件及电学器件;同时,Ge材料的生长制备与传统半导体Si工艺相同,所以,实现Ge材料改性对实现Si基单片光电集成具有重要意义,受到国内外学者广泛关注。本文首先利用KP微扰理论研究改性Ge材料导带及价带E-k关系,建立改性Ge材料各能级随改性条件变化的物理模型。通过计算发现,在张应力条件下,通过施加2.46GPa应力可使Ge变为直接带隙半导体材料;在GeSn合金情况下,通过掺入8%的Sn组分可使Ge变为直接带隙半导体材料。同时还研究改性Ge材料载流子有效质量、态密度有效质量、状态密度及态密度等物理参数随改性条件变化的规律。其次研究改性Ge材料光学特性随改性条件的变化规律。一方面,依据改性Ge材料能带结构模型建立改性Ge材料导带电子浓度分布模型,同时建立非平衡载流子寿命模型及改性Ge材料内量子效率模型。研究发现,通过施加张应力及GeSn合金化方法都能够提高Ge材料内量子效率,在达到直接带隙条件下能够获得的最高内量子效率分别为86.4%及83.6%。在低张应力及低Sn组分条件下配合掺杂方法时,掺杂浓度要小于1019cm-3,否则Ge材料内量子效率反而降低;另一方面,建立改性Ge材料吸收系数及折射率模型,分析改性Ge材料吸收系数及折射率随改性条件的变化规律。最后本文研究改性Ge材料载流子迁移率特性。首先研究载流子散射机制,并建立相关散射模型,并依据建立载流子散射模型进一步研究了改性Ge材料载流子迁移率（导带电子及价带空穴迁移率）。研究发现,一方面,应变Ge导带电子迁移率在间接带隙时随着应力的增加而减小,而在直接带隙情况下,随着应力的增加先升高后降低;对于价带空穴迁移率来说,随着应力的增加先升高后降低。另一方面,GeSn合金材料导带电子迁移率随着Sn组分的增加而增加,而价带空穴迁移率随着Sn组分的增加而减小。本文对改性Ge材料能带结构及光、电特性的理论研究分析,能够对制备高性能改性Ge材料光电器件,实现Si基单片光电集成提高重要参考。