氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）因其工作频率高、输出功率密度大、效率高等特点,已成为目前微波功率器件的研究热点,并广泛应用于雷达、通信等电子系统。微波GaN HEMT器件的大信号模型是电路设计的前提,并且对提高电路性能、优化器件工艺和结构具有重要的指导作用。然而,目前GaN HEMT大信号等效电路模型多为经验基和半经验基模型,为了表征器件显著的自热效应、陷阱效应、高低温效应等,通常包含大量拟合参数,导致模型参数提取难度大、建模周期长、无法适应工艺的不断更新和改进。因此,为了提高建模效率、缩短器件和电路的研制周期、充分发挥GaN器件的优势、推动GaN器件和电路的进一步发展,亟需研究GaN HEMT大信号模型参数快速提取方法。本文针对国产微波GaN HEMT器件,深入研究了经验基大信号模型的快速参数提取方法、新兴准物理大信号模型和大信号统计模型的建模及参数提取方法,主要研究内容包括:1.GaN HEMT小信号模型参数提取方法研究。针对小信号模型参数提取中外层寄生元件误差累积会降低内层寄生元件提取精度的问题,提出了一种提取寄生参数的迭代算法。该算法每次迭代使用比前一次更准确的外层寄生元件值进行去嵌和提取内层寄生元件,从而逐步消除外层寄生元件的误差累积对内层寄生元件提取精度的影响,最终使所有寄生元件值收敛于最优解。0.25μm工艺GaN HEMT器件的验证结果表明,通过十次以内的迭代可将0.1⁴0 GHz的S参数误差降低40%,有效提高了小信号建模的精度。2.GaN HEMT经验基大信号模型参数提取方法研究。针对GaN HEMT自热效应、陷阱效应复杂,漏源电流I_ds模型参数提取步骤繁琐、难度大等问题,提出了一种解析的流程化参数提取方法。该方法首先根据模型参数的意义对表征自热效应、陷阱效应的参数进行分块,再通过最小二乘拟合不同静态偏置点的脉冲I-V转移特性曲线提取各分块的参数,从而实现了分步、解析地提取I_ds模型的每一个参数。在Angelov模型的应用结果表明,采用该方法提取的大信号模型能够准确模拟器件的直流I-V、多静态偏置脉冲I-V、多偏置S参数、阻抗等特性,大信号模型在X和Ku波段的输出功率和功率增益精度大于95%,功率附加效率精度大于90%。所提出的大信号模型参数提取方法嵌入了自主研发的“微波器件建模与分析软件”,极大提高了大信号模型参数提取的效率,实现了GaN HEMT经验基大信号模型参数的高效率全自动提取。3.基于区域划分的GaN HEMT准物理大信号模型及参数提取研究。GaN HEMT新兴物理基等效电路模型与Angelov等经验模型相比,包含更少的拟合参数,具有明确的物理意义,能够指导器件结构优化,然而现有的新兴物理基等效电路模型存在精度不足、收敛性欠佳等问题。本文提出了一种基于区域划分的准物理（Quasi-Physical Zone Division,QPZD）大信号模型,结合区域划分方法和表面势理论,突破了GaN HEMT器件自热效应、高低温效应和陷阱效应的准确解析建模。0.15μm工艺不同栅宽GaN HEMT器件的验证结果表明,所建立的模型能够准确模拟器件大信号功率、效率、增益、三阶交调、阻抗等特性。该模型进一步在Ka波段功放单片电路设计中进行了验证,结果表明,在32³8 GHz的频率范围内,模型的输出功率和功率附加效率精度均大于94%,推进了物理基大信号模型的工程化应用。本文提出的模型与Angelov经验模型相比拟合参数数量减少了55%,与最新报道的物理基表面势模型相比参数数量减少了20%,并具有收敛性好、物理意义明确等优点。4.微波GaN HEMT全物理参数大信号统计模型及参数提取研究。针对现有的GaN HEMT经验基统计模型存在拟合参数过多、过度依赖器件测试和参数提取方法等问题,本文基于QPZD模型提出了一种全物理参数大信号统计模型建模方法,所建立的统计模型包含势垒层厚度、电子饱和速度、电子面密度和临界电场等物理参数。该方法结合了主成分分析和因子分析方法,并能够避免从原始数据集中丢失信息,所建立的统计模型能够准确模拟GaN HEMT器件物理参数的均值、方差、相关性,以及器件电流、跨导、夹断电压等性能指标的概率密度,可直接用于工艺参数分析。进一步地,该统计模型在32³8 GHz功放单片电路设计中的验证结果表明,输出功率和效率均值的精度大于95%。该统计模型既可用于从物理上统计分析工艺波动对器件性能的影响以改善器件工艺和稳定性,还可集成于大信号模型中用于电路设计的成品率分析,对推进工艺-电路协同设计具有较高的指导意义。