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氮化镓（GaN）材料与硅（Si）和砷化镓（GaAs）相比，具有禁带宽度大、热导率高、临界击穿电场高和饱和电子速度高等优势。GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），由于同时具有高功率密度和高速度的特点，使其成为国内外学者研究的热点。本文针对GaN HEMT物理建模和新结构设计，以及大信号等效电路建模开展的工作及其创新点如下：首先，针对势垒层掺杂使器件击穿电压降低的不足，提出了本地栅掺杂GaNHEMT器件新结构，该结构的势垒层只在栅电极下掺杂，势垒层其他区域为非故意掺杂，增大了栅漏间耗尽层宽度，提高了器件击穿电压。二维数值分析结果表明，本文提出的新结构比势垒层全部掺杂结构的最大理论输出功率密度提高34%。针对HEMT工作时栅漏侧栅边缘电场强度较高的不足，提出了栅边缘凹槽型源场板GaN HEMT器件新结构，该结构通过在靠近漏极一侧的栅极边缘势垒层中刻蚀形成凹槽，降低了靠近漏极一侧的栅极边缘的电场强度，提高了HEMT器件的击穿电压，从而提高了输出功率密度，此外，该结构更减小栅漏电容，从而改善器件的频率特性。研究了不对称Y形栅GaN HEMT器件数值仿真方法，并分析了不同倾角对器件击穿电压的影响。其次，基于国产工艺线GaN HEMT，利用直流I-V和多偏置下S参数曲线，建立了包含自热效应的GaN HEMT大信号经验模型，并以符号定义器件（SDD）嵌入商用软件ADS中。谐波平衡仿真结果与在片测试结果对比表明，模型在Ku波段以下具有较高的精度。同时建立了基于Angelov模型的大信号等效电路缩放模型。最后，为了验证建立的Angelov缩放模型准确性，基于建立的1.25mm GaNHEMT大信号模型，设计了S波段GaN HEMT器件AB类功率放大器。进一步验证了本文所建立的非线性模型准确性，可用于实际工程应用。测试结果表明，功放在2.7~3.5GHz频段内小信号增益大于10.5dB，在2.5~3.5GHz频率范围内，功放输出功率大于34dBm，功率附加效率大于41.5%。