自从全球进入信息化时代以来,随着电子科学与技术的不断发展成熟,第三代半导体材料逐渐展现出更加优秀的射频和大功率特性,成为半导体材料界的研究热点。氮化镓高电子迁移率管(GaN HEMT)因其可以在很高频率下工作时依然保持较大的输出功率和效率,同时热效应不明显,所以在微波功率器件和高功率集成电路设计方面有着极大的研究前景。而器件模型的品质对电路性能有着极大的影响,因此针对GaN HEMT器件的实用模型研究具有重要意义,然而目前所研究的比较成熟并且商用的GaN HEMT大信号模型中,以经验模型或半经验半物理模型为主,随着GaN HEMT器件特征尺寸不断减小,其特有的自热效应和陷阱效应需要在模型中添加了大量的经验参数,导致了模型提取参数的方法复杂,模型较难嵌入电路仿真或是仿真容易出现不收敛的情况,对器件的优化和工艺的指导能力同样不足。同时,为适应当代集成电路发展,GaN HEMT器件的特征尺寸越来越小,即器件的栅宽会不断缩小,这会导致器件在亚阈值区表现出明显的短沟道效应。对于短沟道效应建模的需求就会越来越重要。因此研究并建立物理基的GaN HEMT大信号模型对于提高模型精度,器件工艺的优化升级,提高电路设计效率,促进GaN HEMT器件及其电路的广泛应用有着巨大的影响。本文主要研究内容包括:提出一种全新的GaN HEMT小信号等效电路模型,并针对该等效电路提出一套系统的参数优化方法,使得多参数电路参数提取与优化更加具有针对性。针对W波段的小信号等效电路模型,根据器件结构分析了高频寄生效应的影响,实现了逐批次提取和优化寄生参数,避免了多参数模型参数提取困难,优化易陷入局部最小值的问题。特征尺寸为0.1μm的GaNHEMT器件的模型与测试结果对比说明,通过较少的参数优化迭代次数,可将1-110 GHz的平均S参数误差降低在6%以内,小信号模型的精度得到了有效的改善和提升。另外,该等效电路与对应的参数提取优化方法还适用于小信号模型的缩放特性。对GaN HEMT经验基大信号模型进行了研究和改进。由于0.1 μm工艺GaN HEMT器件短沟道效应严重,往往需要在传统的Angelov经验基大信号漏源电流模型中添加大量的经验参数,才能得到较好的模型结果。本论文提出一种只包含17个经验参数的Ⅳ方程,大大降低了模型的复杂程度,最后简单介绍了经验基大信号模型的CV方程建立过程。对 GaN HEMT 的 QPZD(Quasi-Physical Zone Division)准物理大信号模型进行了研究。目前存在的较为成熟的QPZD模型面临短沟道效应影响下的Ⅳ方程不准确的问题。本文提出一种基于区域划分的阈值电压参数经验化的准物理模型。具有不同特征尺寸的0.1μm工艺GaN HEMT器件的模型与测试结果对比说明,所建立的模型能准确表示器件的输出功率,效率以及增益等大信号谐波特性,为了说明模型的实用性,在一款已经流片的工作频率在92-96GHz的功率放大器电路中嵌入该模型。测试结果与模型仿真结果对比说明,当电路工作的频率范围在92-96GHz的时候,模型的大信号谐波验证特性结果比较准确,有利于推进物理基大信号模型在集成电路设计仿真软件中的应用。