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氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）以其高频、高功率和高效率的特性,成为了雷达、电子战和第五代移动通信（5G）等系统在毫米波频段重要的功率放大器件。环境温度影响和自热效应是制约GaN HEMT电性能和可靠性的关键因素,因此开展环境温度相关的热电大信号模型研究对GaN HEMT电路优化设计、提高电路设计成功率、缩短研制周期和降低成本有重要意义。然而目前针对毫米波Ga N HEMT大信号建模,特别是高低温环境下毫米波器件热电效应的建模工作仍不够成熟。随着国产GaN器件在毫米波大功率和高低温环境温度下应用的进一步发展,急需开展GaN HEMT在毫米波频段的大信号特性与机理研究,开发能精确描述环境温度影响和自热效应的热电大信号模型,以实现毫米波GaN单片电路的高效设计并提高电路性能。因此,在国家重大专项的支持下,针对国产毫米波GaN HEMT工艺线,围绕器件热电效应机理,采用等效电路建模方法,系统地研究了毫米波GaN HEMT热电大信号模型的建模技术。主要研究内容及其创新点如下:1.针对红外热测量因分辨率低导致热阻提取精度不足,而有限元仿真因使用常用热导率而无法正确反映器件真实沟道温度的问题,从半导体热传导理论出发,提出一种红外热测量和有限元仿真相结合的毫米波GaN HEMT非线性热阻提取方法。通过红外热测量校准有限元仿真的热导率设置,使有限元仿真计算的沟道平均温度与红外测量温度趋于一致,从而实现对器件沟道峰值温度及对应热阻的准确和高效提取。实验结果表明,仅使用有限元仿真会导致热阻被高估约28%,而仅使用红外热测量导致热阻被低估约35%。最后基于该方法提取了栅长0.15?m的GaN HEMT在不同偏置条件和环境温度下的非线性热阻,以及不同栅宽和栅指数条件下GaN HEMT热阻的缩比规律,为热电模型的建立提供了理论依据。2.针对毫米波GaN HEMT小信号模型寄生参数直接提取困难的问题,从器件耗尽区本征电容的机理出发,提出了一种新的极间耦合电容提取方法。该方法在夹断状态下使用大漏极电压抑制本征电容值从而直接提取栅漏极间耦合电容,避免了传统优化提取方法因多值性问题而导致的负栅漏本征电容提取值,并使模型参数提取所需的寄生电容参数扫描维度从传统方法的二维降到一维,可提高小信号参数的提取效率。基于该方法,提取了栅长0.15?m GaN HEMTs的小信号模型参数,实测结果表明由该方法提取的小信号模型在整个偏置域内的S参数计算误差平均值小于5.5%。3.针对传统方法对毫米波GaN HEMTs在高低温环境下热电效应建模的不足,深入研究了温度相关接入电阻对毫米波GaN HEMTs高低温大信号建模的影响。根据接入电阻的物理构成及其温度特性,提出了一种新的温度相关的漏极和源极接入电阻的分离提取方法,通过联合使用小信号和脉冲I-V测量解决了温度相关的漏/源接入电阻难于分离提取的问题,并提高了提取效率。分析了温度相关接入电阻对栅长0.15?m GaN HEMTs小信号本征参数提取的影响,并在对传统Angelov模型改进的基础上建立了考虑温度相关接入电阻的Ka波段热电大信号模型。不同环境温度（-55°C到85°C）的大信号验证结果表明:通过考虑温度相关接入电阻,可以使热电模型在-55°C环境温度（对应结温21°C）条件下饱和输出功率(Psat)和对应功率附加效率（PAE）的仿真精度分别提高约0.55 dB和10%（相对值）,在环境温度为85°C（对应结温199°C）条件下分别提高约0.35 dB和13.6%（相对值）,并减少了模型所需的温度拟合参数;对于栅源和栅漏间距不相等的GaN HEMT,通过在热电模型中独立使用漏极电阻和源极电阻各自的温度系数,可以提高模型输出功率和PAE的仿真精度。在-55°C、25°C和85°C,Ka波段热电模型对器件Psat和PAE的仿真精度均达90%以上,模型可以准确反映环境温度和自热效应对器件毫米波大信号特性的影响。最后通过研究毫米波GaN HEMT多栅指器件的参数缩比规律,建立了Ka波段热电缩比模型,在片测试结果表明,Ka波段热电缩比模型能准确地预测不同栅指数和不同单指栅宽GaN HEMTs的大信号特性。基于缩比模型对一个Ka波段5 W GaN单片功放进行了设计和验证,实测表明在33 GHz到39 GHz频段内,模型对功放Psat和PAE的仿真精度均达90%以上。4.针对传统小信号模型在W波段严重的参数色散效应,提出了一种新的W波段小信号模型,通过在传统模型拓扑中引入bus-bar寄生电容,改善了参数提取值的色散,使小信号模型在模型应用偏置点的S参数计算误差从传统模型的26.1%降低至8.2%。另外,针对0.1?m GaN HEMT器件更为明显的短沟道效应,提出了改进的Angelov电流源模型,通过修改电流源多项式系数,提高了模型对毫米波GaN HEMTs阈值电压漂移的描述精度。最后通过在模型缩比规则中引入bus-bar电容的缩比关系,建立了W波段热电缩比模型,并对W波段1 W GaN单片功放电路进行了设计和验证。结果表明在90 GHz到98 GHz频段内,考虑bus-bar电容效应使W波段热电缩比模型的Psat仿真精度提高5.9%,达82.5%,PAE仿真精度提高7.8%,达81.6%。有效验证了W波段GaN HEMT热电模型的精度。