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在当前电子信息产业中,射频功率器件占有重要地位。第三代宽禁带半导体氮化镓（GaN）是继硅（Si）、砷化镓（GaAs）之后最重要的半导材料之一,在雷达、通信、电力电子、光学等方面已获得广泛应用,在近年来迅速发展的5G、物联网（IoT）、无线充电、无人机等领域也有巨大的应用前景。GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）是基于GaN材料的有源器件,在微波功率器件领域具有很高的研究价值,但相关技术仍未成熟。GaN HEMT器件建模是通过对器件的表征进而分析器件机理,建立准确表征器件性能的过程,可用于器件设计和结构优化。此外,GaN HEMT器件模型还是射频功率电路设计的灵魂,对射频电路的设计优化起着至关重要的作用。随着GaN HEMT器件的应用向更高频段扩展,传统低频段建立的GaN HEMT器件模型难以适用于微波毫米波频段。又由于其较为复杂的自热效应、陷阱效应和高压工作特性,GaN HEMT大信号精确建模成为目前氮化镓技术的研究热点。本文从超宽带小信号模型出发,分别对自热效应、陷阱效应、栅电容模型开展了深入研究,主要研究内容及其创新点如下:1.GaN HEMT超宽带小信号等效电路模型研究。针对目前W波段超宽带小信号模型中存在寄生参数难以精确提取的问题。本文提出了一种易于准确提取寄生参数的超宽带小信号模型,并针对该小信号模型,提出一种由外而内的分步寄生参数提取方法。验证结果表明本文的方法可以提高模型参数提取效率,并可使得模型适用频带范围从原来的40GHz扩展到110GHz,实现高频频段模型精度提升大于30%。2.GaN HEMT自热效应研究。针对目前GaN HEMT器件缺少易于嵌入大信号紧凑型模型中的缩放热阻模型。本文提出了一种物理基的通用热阻模型。该模型包含器件所有结构参数（栅长、栅宽、有源层厚度、衬底厚度、栅极间距、源极金属间距、各层热导率、有无通孔等）,从而可适用于不同结构和尺寸的器件,易于嵌入到目前使用的GaN HEMT器件大信号模型中。其中对于通孔的研究属于GaN HEMT紧凑型模型的首次考虑。验证结果表明,热阻模型误差小于5%。3.GaN HEMT陷阱效应研究。针对缓冲层陷阱效应导致的电流崩塌现象,已报道的文章中指出该类陷阱效应发生在漏极接触区,但是本文经过研究发现该类陷阱效应发生在栅下近漏极区,同时发现在一定的漏压下,热电子会被缓冲层陷阱捕获,从而在缓冲层产生负电势,而这一负电势会导致器件的阈值电压漂移,最终导致了缓冲层电流崩塌现象。进一步地,本文还提出了一种全物理基的阈值电压模型,该模型有效的解释了MVSG、ASM-HEMT等模型中S22实测数据和仿真数据差距较大的原因。验证结果表明,模型在低频（频率小于5GHz）下的S22参数的精度提高了20%以上。4.GaN HEMT器件栅电容模型研究。针对目前MVSG模型和ASM-HEMT模型在高压条件下非线性电容不准确的问题,本文开展了本征电容和边缘电容的精确建模研究。对于本征电容部分,本文考虑了电流饱和效应。对于边缘电容部分,本文考虑了边缘电容划分和高电压作用,给出了解析边缘电容表达式。最后本文给出了模型大信号验证结果,得出了精确的大信号模型负载牵引匹配结果。最后,本文将上述创新点应用到了基于国产6 inch GaN工艺线的X波段MMIC中。晶体管物理基模型采用了分步寄生参数提取方法,集成了通用热阻模型、阈值电压模型、栅电容模型。验证结果表明,该物理基模型预测功放MMIC的输出功率、增益误差在3.5%以内。本文工作对于高功率氮化镓MMIC精确设计和优化有着重要的指导意义。