氮化镓(GaN)高电子迁移率(High Electron Mobility Transistor,HEMT)晶体管具有工作频率高、输出功率密度大、功率效率高等特点,已经广泛应用于雷达、卫星、5G等通信系统中。准确、简单、可缩放、物理意义清晰的器件模型对电路设计、器件优化都至关重要。工作在W波段(75～110 GHz)的GaN HEMT器件,由于寄生效应复杂,模型参数变得不易提取,模型的高频精度和缩放性都有待改进。2017年新兴的GaN HEMT准物理区域划分(Quasi-Physical Zone Division,QPZD)模型具有参数少、准确性高、物理意义明确等特点,但模型的表达式和参数提取方面仍存在问题,显著的短沟道效应在模型中也缺乏考虑。因此,面对短沟道GaN HEMT器件的高频应用,以及对准确、简洁、物理意义明确的大信号模型的需求,建立可应用到W波段、包含主要短沟道效应的准物理大信号模型具有重要意义。本文基于国产0.1 μm工艺,对毫米波GaN HEMT功率器件的准物理大信号模型进行了深入研究:1.毫米波小信号模型研究。针对W波段小信号寄生效应复杂的问题,提出了新的模型等效电路和参数提取方法。该等效电路引入了总线抽头,并将寄生部分划分为总线、总线抽头、栅/漏指三部分,物理意义清晰且便于寄生参数的缩放。针对模型参数变多,不易提取的问题,对于寄生电容参数,提出了三种新的电磁仿真结构,通过全波电磁仿真提取寄生电容;对于寄生电感参数,通过测试与解析表达式相结合的方法进行提取,所提取出的参数值跟器件的物理尺寸更相符。通过不同尺寸GaN HEMT器件的验证结果表明,模型在1～110 GHz范围内具有较高的精度,平均误差在5%～8%之间。2.基于区域划分的GaN HEMT准物理大信号模型研究。针对原QPZD模型表达式不准确、拟合参数多、参数提取困难的问题,提出了新的模型表达式和参数提取方法;针对原模型无法模拟短沟道漏端引入的势垒降低(Drain Induced Barrier Lowing,DIBL)效应的问题,提出了新的DIBL效应的模型。在不含DIBL效应的情况下,核心漏源电流Ids的模型参数由原来的16个减少至14个,且拟合参数更少,提参方法更简单、准确,模型物理意义更明确,跟经验基的Angelov以及物理基的表面势模型相比,模型参数少50%以上。经测试数据验证,所建立的完整大信号模型,能够准确地模拟器件的S参数、直流、输出功率、增益及功率附加效率等特性。3.毫米波GaN HEMT大信号缩放模型的研究。针对传统缩放规则对晶体管寄生部分表征不准确的问题,提出了新的寄生参数缩放规则,引入了总线抽头的缩放,并对总线寄生电容、电感、栅/漏指电感的缩放规则进行了修正,建立了完整的大信号缩放模型。通过不同栅宽、栅指数量的GaN HEMT器件的验证结果表明,本文所提出的缩放模型,可以准确模拟不同尺寸器件的S参数、直流、输出功率、增益及功率附加效率等特性。