1  PIN射頻開(kāi)關(guān)

1.1   工作原理

PIN二極管是一個(gè)在射頻和微波頻段受偏置電流控制的可變阻抗器．它的結(jié)構(gòu)有三層，在硅半導(dǎo)體二極管的P結(jié)和N結(jié)中間夾著高阻值的本征I層。在正向電流偏置下，空穴和電子被注入到I層。這些電荷不會(huì)立刻相互抵消而消失。而是會(huì)存在一定的時(shí)間．這個(gè)時(shí)間定義為載流子壽命τ，這樣，就會(huì)產(chǎn)生并存儲(chǔ)一定的電荷量，這些電荷使得I層的有阻抗降低到R。當(dāng)PIN管處于零偏或反偏的時(shí)候，在I層不會(huì)存儲(chǔ)電荷，這樣二極管就表現(xiàn)為一個(gè)電容CT并聯(lián)一個(gè)電阻R．也就是利用了PIN二極管在不同偏置電流下，存儲(chǔ)在I層的電荷量的不同從而表現(xiàn)出高或低的阻抗值。

PIN二極管主要參數(shù)
Rs正向偏置狀態(tài)下的串聯(lián)電阻
Cr零或反偏狀態(tài)下的電容
Rp零或反偏狀態(tài)下的并聯(lián)電阻
V_R最大允許的反偏直流電壓
τ載流子壽命
P_D最大平均功耗

1.2  PIN二極管的射頻等效電路

PIN等效電路

在等效電路中，L為寄生電感，一般小于1nH，在射頻（300KHz-30GHz）情況下其阻抗很小，可忽略。正向偏置時(shí)，阻抗主要由R_S決定，但R_S亦很小，所以在串聯(lián)電路中起導(dǎo)通作用，也就是開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”。反向偏置時(shí)，電阻R_S和偏置電流成正比，與頻率成反比，其阻值遠(yuǎn)大于電容Cr阻抗，因此阻抗主要由Cr決定，而Cr阻抗很大，因此在射頻電路中起到斷開(kāi)作用，也就是“關(guān)”。

1.3   PIN開(kāi)關(guān)的主要性能指標(biāo)

帶寬:不僅開(kāi)關(guān)的最高工作頻率會(huì)受到限制，最低工作頻率也會(huì)受到限制，如PIN 管就不能控制直流或低頻信號(hào)的通斷。受管子截止頻率的影響,開(kāi)關(guān)還有一個(gè)上限工作頻率。要求開(kāi)關(guān)的頻帶盡量寬，因?yàn)樾盘?hào)源的頻帶越來(lái)越寬。
插入損耗和隔離度：插入衰減定義為信號(hào)源產(chǎn)生的最大資用功率PA與開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)負(fù)載獲得的實(shí)際功率PLD之比，即PA/ PLD。若開(kāi)關(guān)在關(guān)斷時(shí)負(fù)載上的實(shí)際功率為PLD，則表示隔離度，寫(xiě)成分貝的形式。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)散射參量的定義，有。理想開(kāi)關(guān)，在斷開(kāi)時(shí)衰減無(wú)限大，導(dǎo)通時(shí)衰減為零，一般只能要求兩者比值盡量大。由于PI N 管的阻抗不能減小到零，也不能增大至無(wú)限大，所以實(shí)際的開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)衰減不是無(wú)限大，導(dǎo)通時(shí)也不是零，一般只能要求兩者的比值應(yīng)盡量大，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通衰減稱(chēng)插入損耗，斷開(kāi)時(shí)的衰減稱(chēng)為隔離度，插入損耗和隔離度是衡量開(kāi)關(guān)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的基本指標(biāo)。目標(biāo)是設(shè)計(jì)低插入損耗和高隔離的開(kāi)關(guān)。
功率容量：所謂開(kāi)關(guān)的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二極管的功率容量主要受到以下兩方面的限制，管子導(dǎo)通時(shí)所允許的最大功耗；管子截止時(shí)所能承受的最大反向電壓，也就是反向擊穿電壓。如果開(kāi)關(guān)工作的時(shí)候超過(guò)了這些限制，前者會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)溫升過(guò)高而燒毀；后者會(huì)導(dǎo)致I區(qū)雪崩擊穿。它由開(kāi)關(guān)開(kāi)、關(guān)狀態(tài)下允許的微波信號(hào)功率的較小者決定。大功率下的非線(xiàn)性效應(yīng)(IIP3 )也是開(kāi)關(guān)的承受功率的一個(gè)主要因素，特別是在移動(dòng)通信基站中。
驅(qū)動(dòng)器的要求：PIN 管開(kāi)關(guān)和FET 開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路是不同的，前者需要提供電流偏置，后者則要求有偏壓，驅(qū)動(dòng)器好壞是影響開(kāi)關(guān)速度的主要因素之一。

開(kāi)關(guān)速度：指開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷的快慢，在快速器件中是一個(gè)很重要的指標(biāo)。可以列出I區(qū)中的電流方程如下：。開(kāi)關(guān)速度提高到ns量級(jí)，通常采用I層很薄的PIN管，因?yàn)楸層中貯存的載流子數(shù)量很少，開(kāi)關(guān)時(shí)間大大縮短，這種情況下開(kāi)關(guān)時(shí)間基本取決于載流子渡越I層的時(shí)間，而與載流子壽命無(wú)關(guān)。提高開(kāi)關(guān)速度也可選用載流子壽命短的管子，增大控制電流的脈沖幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向擊穿電壓的限制。
電壓駐波比(VSWR)：任何在高頻信號(hào)通道上的元器件不僅會(huì)產(chǎn)生插入損耗，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸線(xiàn)上的駐波的增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成的，這種干涉經(jīng)常是系統(tǒng)中不同部分的阻抗不匹配或者是系統(tǒng)中連接點(diǎn)的阻抗不匹配造成的。

開(kāi)關(guān)比：一個(gè)PIN管，在不考慮封裝寄生參量時(shí)，其正向狀態(tài)可用正向電阻R1表示，反向狀態(tài)可以用反向串聯(lián)電阻R2和I層容抗jXc，串聯(lián)表示。由于>>R2，，故反向狀態(tài)可近似以jXc表示，我們稱(chēng)正反兩種狀態(tài)下阻抗的比值Xc／R1為開(kāi)關(guān)比，用以衡量PIN開(kāi)關(guān)的優(yōu)劣。如要使開(kāi)關(guān)比增大，則C和R2必須比較小，可以看出，當(dāng)頻率提高時(shí)，開(kāi)關(guān)性能降低。

1.4   PIN二極管開(kāi)關(guān)電路結(jié)構(gòu)及分析

用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式，可以簡(jiǎn)單的分為單刀單擲開(kāi)關(guān)（SPST）和單刀雙擲開(kāi)關(guān)（SPDT）。串聯(lián)方式主要用于寬頻，較小插入損耗的應(yīng)用中；并聯(lián)主要用于寬頻范圍較大隔離度的應(yīng)用中。

1.4.1單刀單擲開(kāi)關(guān)
 

單刀單擲開(kāi)關(guān)

1.4.2  單刀雙擲開(kāi)關(guān)
 

單刀雙擲開(kāi)關(guān)

對(duì)并聯(lián)型SPDT，如果二極管D1處于正向狀態(tài)，二極管D2處于反向狀態(tài)，則通道1被短路，因而無(wú)功率通過(guò)，而通道2由于處于開(kāi)路狀態(tài)而不影響功率的通過(guò)。由于D1接在離分支點(diǎn)λ／4處，在D1短路時(shí)，反映到分支點(diǎn)為開(kāi)路，因此不影響功率對(duì)通道2的傳輸。

1.4.3  多管陣列開(kāi)關(guān)

當(dāng)頻率升高時(shí)，串聯(lián)或并聯(lián)一只PIN管的開(kāi)關(guān)，其性能指標(biāo)將惡化，因此，可采用多個(gè)二極管級(jí)聯(lián)，以提高開(kāi)關(guān)性能。多管陣列型開(kāi)關(guān)是在均勻傳輸線(xiàn)上等間隔的并聯(lián)(或串聯(lián))若干個(gè)PIN管而構(gòu)成，根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論可對(duì)陣列型開(kāi)關(guān)進(jìn)行分析。單管開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)就可做成陣列式開(kāi)關(guān)，因此陣列式開(kāi)關(guān)的分析可歸結(jié)為級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分析，可用傳遞矩陣相乘的方法求出陣列開(kāi)關(guān)的衰減特性。

采用多管串聯(lián)的電路形式，可加大該通道開(kāi)關(guān)的功率容量：而采用多管并聯(lián)的形式，則可提高該通道開(kāi)關(guān)的隔離度。對(duì)于多管開(kāi)關(guān)，隔離度高，頻帶寬是其優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是管子數(shù)多，插損大，調(diào)試?yán)щy。

1.4.4  S波段梳狀線(xiàn)濾波器型PIN開(kāi)關(guān)
 

梳狀濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

這是由梳狀濾波器和PIN管結(jié)合而形成的SPST開(kāi)關(guān)，由于此種開(kāi)關(guān)中的PIN管的結(jié)電容被納入濾波器的諧振元中，PIN管的寄生參數(shù)獲得了合理的利用，從而大大提高了開(kāi)關(guān)的性能。因此它具有較寬的帶寬、損耗小、隔離度高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕的特點(diǎn)。

如果用PIN管的C代替圖l中的集中電容C5就可能形成微波PIN開(kāi)關(guān)。當(dāng)PIN管施加反向偏壓時(shí)，PIN開(kāi)關(guān)處于通過(guò)狀態(tài)，這時(shí)輸入的微波信號(hào)以確定的損耗通過(guò)PIN開(kāi)關(guān)，此時(shí)有：。其中Ci為PIN管的結(jié)電容，Cp為管殼電容。當(dāng)PIN管施加正向偏壓時(shí)，根據(jù)其轉(zhuǎn)換特性，這時(shí)梳狀濾波器的各個(gè)諧振器完全變成一個(gè)個(gè)失諧結(jié)構(gòu)。它們對(duì)輸入的微波信號(hào)具有完全截止的特性。

1.5 管芯類(lèi)型參數(shù)及摻雜

1.5.1 MA-COM公司的產(chǎn)品

M/A-COM Technology Solutions offers a comprehensive line of low capacitance, planar and mesa, silicon PIN diode chips which use ceramic glass and silicon nitride passivation technology. The Silicon PIN Chip series of devices cover a broad spectrum of performance requirements for control circuit applications. They are available in several choices of I-region lengths and have been optimally designed to minimize parametric trade offs when considering low capacitance, low series resistance, and high breakdown voltages. Their small size and low parasitics, make them an ideal choice for broadband, high frequency, micro-strip hybrid assemblies.

Notes:
1. Nominal carrier life time,TL , specified at IF = + 10mA , IREV = - 6mA.
2. Nominal reverse recovery time specified at IF = + 20mA , IREV = - 200mA.
3. VR ( Reverse Voltage ) is sourced and the resultant reverse leakage current, Ir, is measured to be <10μA. 

2  PIN限幅器

2.1  工作原理

PIN二極管偏置于0 V，當(dāng)高功率射頻信號(hào)通過(guò)時(shí)，在pin二極管中會(huì)形成這樣一種現(xiàn)象：在射頻信號(hào)的正半周內(nèi)，微波大電流使載流子在p-和n+的邊界注入，但當(dāng)射頻電壓反向時(shí)，并非所有注入的載流子全部退回，而有一部分進(jìn)入I區(qū)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后，在I區(qū)形成穩(wěn)態(tài)分布，從而使I區(qū)由高阻變?yōu)榈妥瑁漕l信號(hào)達(dá)到較高衰減，只允許一小部分稱(chēng)之為“平頂泄露”的射頻功率通過(guò)(即限幅)；而在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，pin管對(duì)射頻信號(hào)的衰減很小，這部分稱(chēng)為“尖峰泄漏”。pin管的這種射頻電導(dǎo)率調(diào)制現(xiàn)象可用于微波限幅器的制作，并有利于制作耐功率較大的微波限幅器。
 

2.2電路結(jié)構(gòu)

為提高限幅器的功率容量，可以通過(guò)級(jí)聯(lián)提高，如圖2所示，通過(guò)限幅器二極管的級(jí)聯(lián)和并聯(lián)可以極大提高限幅器的功率容量。圖2(a)中的，單級(jí)電路圖可以通過(guò)圖2(b)的電路形式提高限幅器的功率隔離度，通過(guò)圖2(c)的形式，提高限幅器的功率容量。為了提高限幅器的功率容量，可增加級(jí)聯(lián)和并聯(lián)的限幅器二極管數(shù)量。通過(guò)耦合輸入信號(hào)進(jìn)行檢波，檢波信號(hào)對(duì)限幅二極管施加正電壓，能有效提高限幅器的功率容量。

圖3所示，電路圖是兩級(jí)限幅器，通過(guò)級(jí)數(shù)的增加可以提高限幅器的隔離度。第一級(jí)限幅器由耦合檢波器和限幅器共同構(gòu)成，當(dāng)脈沖或連續(xù)波信號(hào)通過(guò)時(shí)，耦合檢波器產(chǎn)生一個(gè)正的檢波電壓加到第一級(jí)限幅器的限幅二極管的正端，降低限幅二極管R，(二極管正向電阻)
加大對(duì)高功率微波信號(hào)的反射，降低施加到限幅二極管的受功率。

 
2.3 性能參數(shù)

為保護(hù)電路不受損傷且保障系統(tǒng)在低功率電平下對(duì)信號(hào)影響最小，限幅器應(yīng)當(dāng)具有以下特性：
(1)當(dāng)信號(hào)電平幅度低于限制門(mén)限的信號(hào)提供非常低的插入損耗；
(2)當(dāng)信號(hào)電平幅度超過(guò)限制門(mén)限的信號(hào)提供非常高的損耗；
(3)擁有非常快的響應(yīng)時(shí)間，在高功率信號(hào)到達(dá)后幾納秒內(nèi)提供保護(hù)。

2.4管芯類(lèi)型及摻雜

3  宏觀(guān)電熱特性及微觀(guān)材料特性

在各類(lèi)微波pin二極管電路應(yīng)用中，二極管電阻的溫度特性強(qiáng)烈地影響著微波電路的溫度性能。pin二極管溫度效應(yīng)的研究包括對(duì)遷移率和載流子壽命的溫度特性的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

進(jìn)行調(diào)研之后，發(fā)現(xiàn)已有的研究和文獻(xiàn)針對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)和鈍化材料的pin二極管，對(duì)其溫度性能進(jìn)行了研究，包括I區(qū)域載流子壽命與溫度的關(guān)系、遷移率與溫度的關(guān)系以及電阻與溫度的關(guān)系，研究表明：pin二極管電阻的溫度性能主要依賴(lài)于二極管結(jié)電容的大小。

圖1表明，pin二極管的電阻可以隨載流子壽命的增加而增加，也可以是減少或保持不變，當(dāng)m=2時(shí)，pin二極管的電阻不隨溫度變化。影響載流子壽命因子m值的因素很多，包括：二極管幾何結(jié)構(gòu)(I區(qū)域的寬度、結(jié)直徑、結(jié)形狀等)、表面鈍化材料的電學(xué)性質(zhì)，以及本征層的載流子濃度等。這些因素中，由于pin二極管的工區(qū)域的載流子濃度一般不高于1014cm-3，當(dāng)外延材料雜質(zhì)濃度穩(wěn)定且缺陷很少時(shí)，外延材料參數(shù)對(duì)載流子壽命因子的影響可以忽略。需要重點(diǎn)研究的是二極管幾何結(jié)構(gòu)、表面鈍化材料對(duì)壽命因子m值的影響。
 

 圖2 歸一化電阻與溫度關(guān)系

圖3  PIN二極管隔離度與溫度關(guān)系曲線(xiàn)

研究結(jié)果表明，微波pin二極管的電阻的溫度性能微觀(guān)上受載流子壽命、電子遷移率、表面狀態(tài)等諸多因素的影響，其綜合結(jié)果表現(xiàn)為二極管電容值對(duì)二極管的電阻的影響最大，微波pin二極管的鈍化方式和幾何結(jié)構(gòu)對(duì)其電阻的溫度性能影響不大。結(jié)電容為0．1~1．0 pF的微波二極管即使鈍化方式不同，其電阻都具有正的溫度系數(shù)，溫度的升高導(dǎo)致二極管電阻的增加，約為線(xiàn)性關(guān)系。結(jié)電容越小，則m值越接近于2，電阻隨溫度的變化越小；反之，變化越大。

研究結(jié)果可以用來(lái)預(yù)計(jì)pin二極管開(kāi)關(guān)的隔離度、衰減器衰減量的溫度性能，通過(guò)溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，制作出溫度性能優(yōu)良的pin二極管微波電路。

4  HPM效應(yīng)

以pn 結(jié)是否因溫度升高而功能失效, 將HPM 效應(yīng)分成兩大類(lèi), 即非失效效應(yīng)和失效效應(yīng)。干擾、翻轉(zhuǎn)、擾亂沒(méi)有造成半導(dǎo)體升溫或造成的升溫對(duì)pn 結(jié)的性能影響甚微, 稱(chēng)為非失效效應(yīng)降級(jí)和損壞導(dǎo)致半導(dǎo)體高溫熔化, 屬于永久失效效應(yīng); 暫時(shí)失效雖然沒(méi)有造成半導(dǎo)體永久損傷, 但升溫使本征載流子濃度升高, 使本征載流子濃度與雜質(zhì)濃度相當(dāng), 造成了pn 結(jié)功能暫時(shí)失效, 但微波脈沖過(guò)后pn 結(jié)又可恢復(fù)功能。熱二次擊穿和電流二次擊穿是半導(dǎo)體pn 結(jié)的兩種主要損傷模式。

2.4  PIN二極管HPM效應(yīng)
（1） 頻率
隨著注入頻率的增加(指正常工作頻帶內(nèi))，限幅器性能逐漸降低，其尖峰泄漏和平頂泄漏隨頻率增大。因?yàn)镻IN二極管微波阻抗與1/f2成正比，所以平頂泄漏功率與隨著頻率的增加而增大。當(dāng)微波頻率較大時(shí)，由于微波周期變小，PIN二極管中載流子需要更多時(shí)間來(lái)完成電導(dǎo)調(diào)制作用，瞬態(tài)阻抗變化較為緩慢，導(dǎo)致更多尖峰泄漏功率；同時(shí)由于PIN二極管阻抗的增大，限幅隔離性能下降，導(dǎo)致平頂泄漏功率增大。
（2）功率
PIN二極管所能承受的最大微波功率主要由擊穿電壓和最大結(jié)溫升限制兩大因數(shù)決定。前者由I層厚度決定；后者則分為連續(xù)波和脈沖兩種情況。脈沖工作時(shí)其耗散功率較連續(xù)波工作方式要大的多。在微波脈沖作用時(shí)尖峰泄漏瞬態(tài)期間限幅器吸收功率較平頂泄漏穩(wěn)態(tài)脈沖時(shí)要大的多。
（3）脈寬
脈沖前沿對(duì)薄PIN管尖峰泄漏功率影響不大；但對(duì)于大功率厚PIN管，脈沖前沿大小可對(duì)其導(dǎo)通過(guò)程產(chǎn)生較大影響，如尖峰泄漏功率、尖峰脈寬。而平項(xiàng)泄漏則只與PIN限幅器穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通阻抗有關(guān)。
（4）非線(xiàn)性特性
在注入功率高于限幅器閾值點(diǎn)后，限幅器輸出產(chǎn)生較強(qiáng)非線(xiàn)性效應(yīng)，輸出有較多諧波分量。