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宽禁带半导体晶体管——氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）在高频、高效率、高功率领域具有广泛的应用,已经成为了国内外微波半导体器件方面的研究热点。基于GaN HEMT建立的大信号晶体管模型是晶体管和电路的枢纽,对优化电路设计,提高晶体管性能有指导作用。目前,发展较为成熟的晶体管模型多为经验基模型,是以大量的拟合参数来表征晶体管的自热、色散等特性。然而随着工艺的不断改进、器件的发展,亟需能指导器件工艺和结构设计的物理基大信号模型。另一个方面,微波化合物半导体芯片的成品率优化设计一直以来是集成电路设计的难点,其主要原因是晶体管制备上工艺参数精确控制难,而在电路设计上又缺乏准确的大信号工艺统计模型。因此,如何建立晶体管微波特性与物理参数相关联的物理基统计模型成为了微波氮化镓电路设计和应用的关键。本文针对GaN HEMT开展了准物理基大信号模型和物理基统计模型研究,并基于统计模型提出了一种提高MMIC成品率的方法,主要研究内容如下:1.基于区域划分理论的GaN HEMT准物理基大信号模型研究。对栅长为0.15μm的GaN HEMT器件,首先通过测试得到晶体管的直流I-V、多偏置下的S参数以及大信号特性,然后基于区域划分理论,建立了准物理基大信号模型。最后经毫米波功放芯片验证结果表明,在23dBm输入,36GHz频点所建的大信号模型输出功率误差为1.4%、功率效率误差为1.8%、增益误差为2.2%。2.微波GaN HEMT物理基大信号统计模型研究。采用4个批次25个GaN HEMT器件,基于自建的区域划分模型,从Ids数据集出发,采用主成分分析法、因子分析法对数据集进行处理,建立了包含势垒层厚度、最大电子饱和速度、最大电子面密度、夹断时的电子面密度、饱和电子迁移率等物理参数统计特性的统计模型,大信号验证结果表明在36GHz处,不同输入功率下统计模型均值精度高于90%。3.基于大信号统计模型的成品率优化设计。通过对大信号统计模型中参数灵敏度的统计分析,提出了一种基于大信号统计模型的成品率优化设计方法。该方法首先在多参数波动下的负载牵引仿真得出阻抗分布图,然后建立阻抗点对应的输出特性与成品率的关系,最后找出成品率最大的阻抗点进行芯片设计。结果表明,在32GHz-38GHz频带内,新芯片成品率结果对比原始芯片结果提高了近10%。