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2、IN二极极管是一个个在射频和和微波频段段受偏置电流控控制的可变变阻抗器它的结构构有三层，在在硅半导体体二极管的P结和N结中间夹夹着高阻值值的本征I层。在正正向电流偏偏置下，空空穴和电子子被注入到到I层。这些些电荷不会会立刻相互互抵消而消消失。而是是会存在一一定的时间间这个时时间定义为为载流子寿命命，这样，就就会产生并并存储一定定的电荷量量，这些电电荷使得II层的有阻阻抗降低到到R。当PPIN管处处于零偏或或反偏的时时候，在I层不会存存储电荷，这这样二极管管就表现为为一个电容容CT并联一个电阻R也就是利利用了PIIN二极管管在不同偏偏置电流下下，存储在在I层的电电荷量的不不同从而表表现出高或或低
3、的阻抗抗值。PIN二极极管主要参参数R正向偏置置状态下的的串联电阻阻C零或反偏偏状态下的的电容R零或反偏偏状态下的的并联电阻阻V最大允许许的反偏直直流电压载流子寿命命P最大平均均功耗1.2 PIN二二极管的射射频等效电电路PIN等效效电路在等效电路路中，L为为寄生电感感，一般小小于1nHH，在射频频（3000KHz-30GHHz）情况况下其阻抗抗很小，可可忽略。正正向偏置时时，阻抗主主要由R决决定，但RR亦很小，所所以在串联联电路中起起导通作用用，也就是是开关的“开”。反向偏偏置时，电电阻R和偏偏置电流成成正比，与与频率成反反比，其阻阻值远大于于电容C阻阻抗，因此此阻抗主要要由C决定定，而C阻
4、阻抗很大，因因此在射频频电路中起起到断开作作用，也就就是“关”。1.3 PIN开开关的主要要性能指标标带宽:不仅仅开关的最最高工作频频率会受到到限制，最低工作作频率也会会受到限制制，如PI NN 管就不不能控制直直流或低频频信号的通通断。受管子截截止频率的的影响,开开关还有一一个上限工工作频率。要要求开关的的频带尽量量宽，因为为信号源的的频带越来来越宽。插入损耗和和隔离度：插入衰减定定义为信号号源产生的的最大资用用功率P与开关导导通时负载载获得的实实际功率PP之比，即即P/ P。若开关关在关断时时负载上的的实际功率率为P，则表示隔隔离度，写写成分贝的的形式。根根据网络散散射参量的的定义，有有。
5、理想开关关，在断开时时衰减无限限大，导通时衰衰减为零，一般只能能要求两者者比值尽量量大。由于PI N 管的的阻抗不能能减小到零零，也不能增增大至无限限大，所以实际际的开关在在断开时衰衰减不是无无限大，导通时也也不是零，一般只能能要求两者者的比值应应尽量大，开关的导导通衰减称称插入损耗耗，断开时的的衰减称为为隔离度，插入损耗耗和隔离度度是衡量开开关质量优优劣的基本本指标。目标是设设计低插入入损耗和高高隔离的开开关。功率容量：所谓开关关的功率容容量是指它它能承受的的最大微波波功率。PPIN二极极管的功率率容量主要要受到以下下两方面的的限制，管管子导通时时所允许的的最大功耗耗；管子截截止时所能能承受
6、的最最大反向电电压，也就就是反向击击穿电压。如如果开关工工作的时候候超过了这这些限制，前前者会导致致管内温升升过高而烧烧毁；后者者会导致II区雪崩击击穿。它由由开关开、关状态下下允许的微微波信号功功率的较小小者决定。大大功率下的的非线性效效应(IIP33 )也是开关关的承受功功率的一个个主要因素素，特别是在在移动通信信基站中。驱动器的要要求：PI NN 管开关关和FETT 开关的的驱动电路路是不同的的，前者需要要提供电流流偏置，后者则要要求有偏压压，驱动器好好坏是影响响开关速度度的主要因因素之一。开关速度：指开关开开通和关断断的快慢，在快速器器件中是一一个很重要要的指标。可以列出I区中的电电流
7、方程如如下：。开关速速度提高到到ns量级，通常采用用I层很薄的的PIN管，因为薄I层中贮存存的载流子子数量很少少，开关时间间大大缩短短，这种情况况下开关时时间基本取取决于载流流子渡越II层的时间间，而与载流流子寿命无无关。提高高开关速度度也可选用用载流子寿寿命短的管管子，增大大控制电流流的脉冲幅幅度，但后后者受到PPIN管最最大功率和和反向击穿穿电压的限限制。电压驻波比比(VSWRR)：任何在高高频信号通通道上的元元器件不仅仅会产生插插入损耗，也会导致致信号传输输线上的驻驻波的增加加。驻波是由由传送电磁磁波与反射射波干涉而而形成的，这种干涉涉经常是系系统中不同同部分的阻阻抗不匹配配或者是系系统
8、中连接接点的阻抗抗不匹配造造成的。开关比：一一个PINN管，在不不考虑封装装寄生参量量时，其正正向状态可可用正向电电阻R1表示，反反向状态可可以用反向向串联电阻阻R2和I层容抗jXXc，串联联表示。由由于R2，故故反向状态态可近似以以jXc表示示，我们称称正反两种种状态下阻阻抗的比值值XcR1为开关比比，用以衡衡量PINN开关的优优劣。如要要使开关比比增大，则则C和R22必须比较较小，可以以看出，当当频率提高高时，开关关性能降低低。1.4 PINN二极管开开关电路结结构及分析析用串联或者者并联的方方式，可以以简单的分分为单刀单单掷开关（SSPST）和和单刀双掷掷开关（SSPDT）。串串联方式主
9、主要用于宽宽频，较小小插入损耗耗的应用中中；并联主主要用于宽宽频范围较较大隔离度度的应用中中。1.4.11单刀单掷掷开关单刀单掷开开关1.4.22 单刀刀双掷开关关单刀双掷开开关对并联型SSPDT，如如果二极管管D1处于正正向状态，二二极管D2处于反向向状态，则则通道1被短路，因因而无功率率通过，而而通道2由于处于于开路状态态而不影响响功率的通通过。由于于D1接在离离分支点4处，在D11短路时，反反映到分支支点为开路路，因此不不影响功率率对通道22的传输。1.4.33 多管管阵列开关关当频率升高高时，串联联或并联一一只PINN管的开关关，其性能能指标将恶恶化，因此此，可采用用多个二极极管级联，
10、以以提高开关关性能。多多管阵列型型开关是在在均匀传输输线上等间间隔的并联联(或串联)若干个PIIN管而构构成，根据据微波网络络理论可对对阵列型开开关进行分分析。单管开关关级联就可可做成阵列列式开关，因因此阵列式式开关的分分析可归结结为级联网网络分析，可可用传递矩矩阵相乘的的方法求出出阵列开关关的衰减特特性。采用多管串串联的电路路形式，可可加大该通通道开关的的功率容量量：而采用用多管并联联的形式，则则可提高该该通道开关关的隔离度度。对于多多管开关，隔隔离度高，频频带宽是其其优点，缺缺点是管子子数多，插插损大，调调试困难。1.4.44 S波波段梳状线线滤波器型型PIN开开关梳状滤波器器的结构示示意
11、图这是由梳状状滤波器和和PIN管结结合而形成成的SPSST开关，由由于此种开开关中的PPIN管的的结电容被被纳入滤波波器的谐振振元中，PPIN管的的寄生参数数获得了合合理的利用用，从而大大大提高了了开关的性性能。因此此它具有较较宽的带宽宽、损耗小小、隔离度度高、结构构紧凑、体体积小、重重量轻的特特点。如果用PIIN管的C代替图l中的集中中电容C55就可能形形成微波PPIN开关关。当PIIN管施加加反向偏压压时，PIIN开关处处于通过状状态，这时时输入的微微波信号以以确定的损损耗通过PPIN开关关，此时有有：C+CC=C。其其中C为PIN管的的结电容，CC为管壳电电容。当PPIN管施施加正向偏偏
12、压时，根根据其转换换特性，这这时梳状滤滤波器的各各个谐振器器完全变成成一个个失失谐结构。它它们对输入入的微波信信号具有完完全截止的的特性。1.5 管管芯类型参参数及掺杂杂 1.5.11 MA-COM公公司的产品品M/A-CCOM TTechnnologgy Soolutiions offeers aa commprehhensiive linee of low capaacitaance, plaanar and mesaa, siilicoon PIIN diodde chhips whicch usse ceeramiic gllass and siliicon nitrride pass
13、sivattion techhnoloogy. The Siliicon PIN Chipp serries of deviices coveer a broaad sppectrrum oof peerforrmancce requuiremmentss forr conntroll cirrcuitt appplicaationns. TThey are avaiilablle inn sevverall chooicess of I-reegionn lenngthss andd havve beenn opttimallly ddesiggned to mminimmize paraa
14、metrric ttradee offfs whenn connsideeringg loww cappacittancee, loow seeriess ressistaance, and highh breeakdoown vvoltaages. Theeir ssmalll sizze annd loow paraasitiics, makee theem ann ideeal cchoicce foor brroadbband, higgh freqquenccy, mmicroo-strrip hhybriid asssembbliess.Notess:1. Noominaal ca
15、arrieer liife ttime,TL , sspeciifiedd at IF = + 10mmA , IREVV = - 6mAA.2. Noominaal reeversse reecoveery ttime speccifieed att IF = + 20mAA , IIREV = - 200mmA.3. VRR ( RReverrse VVoltaage ) is sourrced and the resuultannt reeversse leeakagge cuurrennt, IIr, iis meeasurred tto bee 100A.2 PIIN限幅器器2.1
16、工作原理理 PIN二极极管偏置于于0 V，当当高功率射射频信号通通过时，在在pin二极极管中会形形成这样一一种现象：在射频信信号的正半半周内，微微波大电流流使载流子子在p-和n+的边界界注入，但但当射频电电压反向时时，并非所所有注入的的载流子全全部退回，而而有一部分分进入I区，经过过几个周期期后，在II区形成稳稳态分布，从从而使I区由高阻阻变为低阻阻，射频信信号达到较较高衰减，只只允许一小小部分称之之为“平顶泄露露”的射频功功率通过(即限幅)；而在达达到稳态之之前，piin管对射射频信号的的衰减很小小，这部分分称为“尖峰泄漏漏”。pin管的的这种射频频电导率调调制现象可可用于微波波限幅器的的制
17、作，并并有利于制制作耐功率率较大的微微波限幅器器。2.2 电路结构构为提高限幅幅器的功率率容量，可可以通过级级联提高，如如图2所示，通通过限幅器器二极管的的级联和并并联可以极极大提高限限幅器的功功率容量。图图2(a)中的，单单级电路图图可以通过过图2(bb)的电路路形式提高高限幅器的的功率隔离离度，通过过图2(cc)的形式式，提高限限幅器的功功率容量。为为了提高限限幅器的功功率容量，可可增加级联联和并联的的限幅器二二极管数量量。通过耦耦合输入信信号进行检检波，检波波信号对限限幅二极管管施加正电电压，能有有效提高限限幅器的功功率容量。图3所示，电电路图是两两级限幅器器，通过级级数的增加加可以提高
18、高限幅器的的隔离度。第第一级限幅幅器由耦合合检波器和和限幅器共共同构成，当当脉冲或连连续波信号号通过时，耦耦合检波器器产生一个个正的检波波电压加到到第一级限限幅器的限限幅二极管管的正端，降降低限幅二二极管R，(二极管正正向电阻)加大对高功功率微波信信号的反射射，降低施施加到限幅幅二极管的的受功率。2.3 性能参数数为保护电路路不受损伤伤且保障系系统在低功功率电平下下对信号影影响最小，限限幅器应当当具有以下下特性：(1)当信信号电平幅幅度低于限限制门限的的信号提供供非常低的的插入损耗耗；(2)当信信号电平幅幅度超过限限制门限的的信号提供供非常高的的损耗；(3)拥有有非常快的的响应时间间，在高功功
19、率信号到到达后几纳纳秒内提供供保护。2.4管芯芯类型及掺掺杂3 宏观观电热特性性及微观材材料特性在各类微波波pin二二极管电路路应用中，二二极管电阻阻的温度特特性强烈地地影响着微微波电路的的温度性能能。pinn二极管温温度效应的的研究包括括对迁移率率和载流子子寿命的温温度特性的的理论分析析和实验研研究。进行调研之之后，发现现已有的研研究和文献献针对几种种不同结构构和钝化材材料的piin二极管管，对其温温度性能进进行了研究究，包括II区域载流流子寿命与与温度的关关系、迁移移率与温度度的关系以以及电阻与与温度的关关系，研究究表明：ppin二极极管电阻的的温度性能能主要依赖赖于二极管管结电容的的大小
20、。图1表明，ppin二极极管的电阻阻可以随载载流子寿命命的增加而而增加，也也可以是减减少或保持持不变，当当m=2时时，pinn二极管的的电阻不随随温度变化化。影响载载流子寿命命因子m值值的因素很很多，包括括：二极管管几何结构构(I区域域的宽度、结结直径、结结形状等)、表面钝钝化材料的的电学性质质，以及本本征层的载载流子浓度度等。这些些因素中，由由于pinn二极管的的工区域的的载流子浓浓度一般不不高于100cm，当当外延材料料杂质浓度度稳定且缺缺陷很少时时，外延材材料参数对对载流子寿寿命因子的的影响可以以忽略。需需要重点研研究的是二二极管几何何结构、表表面钝化材材料对寿命命因子m值值的影响。图2
21、 归一一化电阻与与温度关系系 图3 PINN二极管隔隔离度与温温度关系曲曲线 研究结结果表明，微微波pinn二极管的的电阻的温温度性能微微观上受载载流子寿命命、电子迁迁移率、表表面状态等等诸多因素素的影响，其其综合结果果表现为二二极管电容容值对二极极管的电阻阻的影响最最大，微波波pin二二极管的钝钝化方式和和几何结构构对其电阻阻的温度性性能影响不不大。结电电容为0110 pFF的微波二二极管即使使钝化方式式不同，其其电阻都具具有正的温温度系数，温温度的升高高导致二极极管电阻的的增加，约约为线性关关系。结电电容越小，则则m值越接接近于2，电电阻随温度度的变化越越小；反之之，变化越越大。 研究结果
22、果可以用来来预计piin二极管管开关的隔隔离度、衰衰减器衰减减量的温度度性能，通通过温度补补偿设计，制制作出温度度性能优良良的pinn二极管微微波电路。4 HPPM效应以pn 结结是否因温温度升高而而功能失效效, 将HPM 效应分成成两大类, 即非失失效效应和和失效效应应。干扰、翻翻转、扰乱乱没有造成成半导体升升温或造成成的升温对对pn 结的的性能影响响甚微, 称为非失失效效应降降级和损坏坏导致半导导体高温熔熔化, 属于永永久失效效效应; 暂时失失效虽然没没有造成半半导体永久久损伤, 但升温使使本征载流流子浓度升升高, 使本征征载流子浓浓度与杂质质浓度相当当, 造成了了pn 结功功能暂时失失效
23、, 但微波波脉冲过后后pn 结又又可恢复功功能。热二二次击穿和和电流二次次击穿是半半导体pnn 结的两两种主要损损伤模式。2.4 PIN二极极管HPMM效应（1） 频率随着注入频频率的增加加(指正常工工作频带内内)，限幅器器性能逐渐渐降低，其其尖峰泄漏漏和平顶泄泄漏随频率率增大。因因为PINN二极管微微波阻抗与与1/f成正正比，所以以平顶泄漏漏功率与随随着频率的的增加而增增大。当微微波频率较较大时，由由于微波周周期变小，PIN二极管中载流子需要更多时间来完成电导调制作用，瞬态阻抗变化较为缓慢，导致更多尖峰泄漏功率；同时由于PIN二极管阻抗的增大，限幅隔离性能下降，导致平顶泄漏功率增大。（2）
24、功率PIN二极极管所能承承受的最大大微波功率率主要由击击穿电压和和最大结温温升限制两两大因数决决定。前者者由I层厚度决决定；后者者则分为连连续波和脉脉冲两种情情况。脉冲冲工作时其其耗散功率率较连续波波工作方式式要大的多多。在微波脉脉冲作用时时尖峰泄漏漏瞬态期间间限幅器吸吸收功率较较平顶泄漏漏稳态脉冲冲时要大的的多。（3） 脉宽脉冲前沿对对薄PINN管尖峰泄泄漏功率影影响不大；但对于大大功率厚PPIN管，脉脉冲前沿大大小可对其其导通过程程产生较大大影响，如如尖峰泄漏漏功率、尖尖峰脉宽。而而平项泄漏漏则只与PPIN限幅幅器稳态导导通阻抗有有关。（4） 非线性特性性在注入功率率高于限幅幅器阈值点点后，限幅幅器输出产产生较强非非线性效应应，输出有有较多谐波波分量。