随着太赫兹频率(THz)辐射源及探测器技术的迅速发展和完善,THz技术凭借众多优势已经逐渐应用在太赫兹成像、无线通信、医疗检测等领域当中,成为研究人员的关注热点。在当前的应用中太赫兹探测器的发展较为迅速,而对于小尺寸、相干的太赫兹固态辐射源的需求十分迫切。异质结场效应管在等离子波激发工作方式下可以用作太赫兹发射和探测,且具有频率可调谐功能,在未来的太赫兹技术发展中具有十分广阔的应用前景,因此受到了比较多的关注。基于等离子波产生机理的固态发射源器件的理论已被较好的提出,并且多种器件结构上得到的实验结果展示了与理论分析结果的较好吻合性。但是目前等离子波器件的研究发展中遇到了一些问题,包括如何进一步提高其太赫兹频率的发射功率密度、发射谱中的频带展宽机理和负微分电阻(NDR)效应还没有统一的物理机理上的理解。其中一个重要原因是现有用于表征等离子波器件的简化模型忽视器件的热效应,即没有考虑能量等式的作用,使得仿真结果对实验结果的表征中出现了偏差。针对这一问题,本论文主要是基于MESFET和HEMT器件结构,对等离子波不稳定性和相应的NDR效应的理论分析和数值模拟研究,主要工作贡献包括以下四个方面。首先,面向超高频率工作的场效应管器件,完善了二维全流体力学物理模型的器件仿真平台。该平台利用时域有限差分(FDTD)方法对二维全流体力学器件物理模型进行数值仿真实现。采用灵活的可配置方式以成熟的电子能量依赖迁移率、弛豫时间以及有效质量参数将Ga As能带结构引入模型,能够开展对不同材料的器件结构的仿真,并在短沟道Ga As基MESFET器件结构中进行了仿真功能验证。其次,基于二维器件仿真平台,开展对等离子波不稳定性的数值模拟研究。通过全流体力学物理模型和二维不对称性边界条件设置,得到沟道中的电子密度不稳定性数值模拟结果,表征了等离子波自激发的物理过程,并对电子平均能量瞬态变化过程进行了描述,给出了数值仿真结果。分析表明,沟道中存在斜波的传播,并且输出特性具有明显的NDR效应。然后,利用非平衡条件下的两温度模型对可能的NDR效应进行了理论分析。针对文献中已报道的HEMT器件输出特性中伴随THz发射出现的NDR效应进行分析研究,其具有低阈值电压、大峰谷比等特点,区别于传统的电子谷间转移。根据材料特性及已有GaN HEMT实验对模型参数进行调整,将解析计算结果与实验结果拟合,具有较好的一致性。最后,研究AlGaN/GaN基凹栅结构HEMT器件的能带特性并分析其NDR效应产生可能性。发现存在NDR产生的阈值电场,NDR阈值电压与异质结量子阱处子能级间差值具有对应关系,使用TCAD软件仿真,提出一种可能的谐振隧穿实空间转移导致的NDR产生机制。通过凹栅结构改变阈值电压大小得到增强型器件,具有稳定的直流输出特性及栅极隧穿电流仿真结果,作为下一阶段GaN基等离子波器件数值仿真研究的基础。