在无线及微波电路的设计中,各种III-V族化合物半导体场效应晶体管(FET)器件被广泛应用到各种大信号电路的实现中,如功率放大器、振荡器、乘法器等。尽管微波及射频电路的复杂程度在继续增加,迫于缩短设计周期和降低成本等因素,设计人员往往借助于计算机辅助设计(CAD)进行电路的仿真和验证。在一个基于CAD的设计流程中,我们需要一种在设计工具中可实现的准确而有效的模型,这是极为重要的。而晶体管往往是微波及射频电路中最重要、特性最复杂的非线性器件。因此,晶体管模型的优劣对于最终所设计的电路和系统的性能起着至关重要的作用。本文着重讨论III-V族场效应晶体管的大信号建模问题。论文首先介绍了FET技术及其模型发展的历史、现状和趋势,重点总结了晶体管大信号模型的不同建模方法。其次通过对模型开发和参数提取的简要分析,初步得到了晶体管模型的建立过程,及其在电路CAD中的应用。在对FET基本工作原理的介绍之后,第二章分析了基于测量数据的场效应晶体管经验模型建立步骤和所需要的条件。首先介绍了不同的测量方法,如电流-电压(I-V)测试,小信号S参数测试,大信号功率测试及验证等。然后以场效应晶体管小信号等效电路模型作为基础,进一步得出了其对应的大信号模型的非线性部分。第三章从具体的基于解析式的模型公式出发,提出了改进的III-V族化合物半导体场效应晶体管的大信号等效电路模型及其参数提取流程。通过对模型进行不同的参数设置和模型公式的应用,使得其能够适用于具有不同特性的晶体管。并对当前不同类型和大小的FET器件的测量结果进行参数拟合,验证了模型的通用性。为了完整表述晶体管的各种特性,第四章在所改进的等效电路模型的基础上,进一步引入了对FET热效应和陷阱效应的建模和验证。新的模型参数被加入到原有的大信号模型公式中,并通过系统的测量和建模方法对这些新的参数分别进行提取。第五章对所建立的完整的大信号晶体管等效电路模型进行了验证。首先将该模型引入到CAD软件中,并通过对不同类型的FET进行小信号S参数、大信号功率扫描、以及双音交叉调制(IMD)等测试,与仿真结果进行比较并得到进一步验证。此外,由于模型最终要被应用到电路设计中,而不同的射频及微波电路对于晶体管模型的要求和其复杂程度并不相同。所以第六章进行了一些特定应用范围的晶体管模型的研究。具体包括适合于交叉调制分析的大信号FET模型和适合于开关类功率放大器设计的大信号FET模型。并对最近发展的开关类功放的理论进行深入研究,运用所建立的适用于开关类功放的晶体管大信号模型设计并验证了一个中心频率为2.35GHz的100W高效率逆F类功率放大器。最后一章总结了全文,并指出了正在进行的相关工作和未来有待进一步研究的方向。