随着国防武器装备和社会生产生活的科技化与信息化程度越来越高,电子信息技术产业在近几十年呈现迅速发展态势,尤其随着新一代5G通讯和装备信息化时代的到来,对射频功率器件性能提出了更高的要求。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和金刚石（Diamond）等材料为代表的第三代宽禁带半导体材料是近些年微波功率器件得以在高性能和小型化方面快速发展的重要基础,其中尤以GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）最具代表性。但由于GaN HEMT器件工作过程中存在较为复杂的物理效应,对其工作机理和特性表征方面的研究仍需继续。器件模型作为连接器件制备工艺和电路设计开发的桥梁,是深入研究GaN HEMT器件工作机理的重要手段。目前已开发出的经验基等效电路模型（紧凑模型）普遍存在拟合参数较多、参数提取困难和物理意义不明确、难以关联器件工艺等问题。且随着新材料和新结构的出现,经验模型也不便于将多种物理效应进行嵌入和表征,不利于后续模型随工艺线升级而更新换代,而物理基紧凑模型可以较好地解决上述问题。因此,本文围绕AlGaN/GaN HEMT器件,从器件半导体理论出发,建立了物理含义明晰、能够准确表征器件特性且能够用于电路设计的物理基紧凑模型。并深入研究器件热效应及力电效应,分别针对金刚石基GaN HEMT器件和柔性AlGaN/AlN/GaN HEMT器件建立了物理解析热电耦合模型和力电耦合模型。主要研究内容包括:（1）费米势Ef与二维电子气密度ns解析模型研究。针对现有物理模型存在的模型方程连续性差、计算量大以及难以集成进紧凑模型进行电路设计应用等问题,本文提出了一种准确计算费米势和2DEG（two-dimensional electron gas）密度的解析建模方法。首先通过研究三角势阱中二维电子气形成机理,分区域推导得到了Ef和ns在各工作区域中关于偏置栅压的解析表达式。然后引入区域过渡函数,建立了全域内连续、统一的Ef和ns解析模型。通过与数值计算结果进行对比验证,表明解析模型与数值解吻合度达到98%,且具备良好连续性,为后续建立器件物理基大信号模型奠定基础。（2）基于表面势的GaN HEMT物理基大信号模型研究。针对经验基等效电路模型拟合参数较多、参数提取难度大和参数缺乏物理意义等问题,以及传统表面势模型迭代计算量大、方程为隐性表达式难以嵌入电路设计的缺陷,本文提出了一种基于表面势的物理基大信号紧凑模型建模方法。基于表面势推导得到了连续可导的电流-电压（I-V）和电荷/电容-电压（Q/C-V）特性方程,实现了自热效应、陷阱效应、载流子速率饱和与击穿等物理效应的准确解析建模。结合分区域缩放原则,最终建立了具有缩放特性的物理基大信号紧凑模型。通过与X波段国产0.25μm工艺不同栅宽器件进行对比验证,结果表明模型具备良好的连续性和对称性,能够准确模拟器件直流、S参数、大信号功率、效率和高次谐波等特性,模型的输出功率和功率附加效率精度均大于94%,满足电路设计要求。本文提出的模型与Angelov经验基模型相比拟合参数数量减少47%,与最新报道的准物理基区域划分模型相比参数数量减少24%,且具有物理效应更易嵌入的优点。（3）金刚石基GaN HEMT器件热效应及其紧凑模型研究。针对现有GaN HEMT器件热模型因忽略界面热阻或简单将其采用定值代替而造成的结温预估不准确问题,本文基于有限元分析方法建立了一种可准确反映器件沟道结温的三维热仿真模型,并采用物理意义明确的物理解析方法实现键合层热效应Radh表征。将所提取的与结构尺寸、材料参数和耗散功率相关的解析热阻模型嵌入到大信号模型中,最终实现了大信号热电耦合模型建立。与红外热成像测试数据对比表明热模型精度达到97%,仿真精度提高10%,大信号热电模型输出功率和效率精度均大于95%。通过衬底转移前后器件特性对比分析和沟道结温影响因素分析,表明该模型既可用于研究工艺参数与器件热特性之间的关系,也可用于分析金刚石衬底引入的作用机理及对大信号特性的影响。（4）柔性GaN HEMT器件物理解析力电耦合模型研究。现有柔性GaN HEMT器件应力模型大多为三维有限元仿真模型,难以嵌入电路仿真软件中对功率特性进行研究。少数解析模型也仅停留在电流模型的定性分析层面,且无法对相同应变状态下器件应变特性相反的现象进行解释。基于以上问题,本文提出了一种针对柔性GaN HEMT器件的力电耦合模型。在二维电子气密度方程推导过程中引入应变参量,综合考虑了压电极化效应、肖特基势垒高度、能带结构和表面态密度等因素对器件应变特性的影响。模型能够准确预测器件在不同应变状态下的输出特性,同时可用来解释GaN HEMT器件在相同应变状态下展现出相反的应变特性这一现象,具备更好的适用性。通过所制备的0.25μm工艺Parylene衬底柔性AlGaN/AlN/GaN HEMT器件验证表明,模型可准确描述器件不同应变状态下的阈值电压、电子气密度、电流和输出功率等特性,输出功率和功率附加效率的精度均大于96%。该模型对于深入了解GaN HEMT器件应变特性,并对通过应变工程改善器件工艺、提高器件性能具有指导意义。