PIN射频开关与PIN限幅器基础知识

1  PIN射频开关

1.1   工作原理

PIN二极管是一个在射频和微波频段受偏置电流控制的可变阻抗器．它的结构有三层，在硅半导体二极管的P结和N结中间夹着高阻值的本征I层。在正向电流偏置下，空穴和电子被注入到I层。这些电荷不会立刻相互抵消而消失。而是会存在一定的时间．这个时间定义为载流子寿命τ，这样，就会产生并存储一定的电荷量，这些电荷使得I层的有阻抗降低到R。当PIN管处于零偏或反偏的时候，在I层不会存储电荷，这样二极管就表现为一个电容CT并联一个电阻R．也就是利用了PIN二极管在不同偏置电流下，存储在I层的电荷量的不同从而表现出高或低的阻抗值。

PIN二极管主要参数
Rs正向偏置状态下的串联电阻
Cr零或反偏状态下的电容
Rp零或反偏状态下的并联电阻
V_R最大允许的反偏直流电压
τ载流子寿命
P_D最大平均功耗

1.2  PIN二极管的射频等效电路

PIN等效电路

在等效电路中，L为寄生电感，一般小于1nH，在射频（300KHz-30GHz）情况下其阻抗很小，可忽略。正向偏置时，阻抗主要由R_S决定，但R_S亦很小，所以在串联电路中起导通作用，也就是开关的"开"。反向偏置时，电阻R_S和偏置电流成正比，与频率成反比，其阻值远大于电容Cr阻抗，因此阻抗主要由Cr决定，而Cr阻抗很大，因此在射频电路中起到断开作用，也就是"关"。

1.3   PIN开关的主要性能指标

带宽:不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PIN 管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响,开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。
插入损耗和隔离度：插入衰减定义为信号源产生的最大资用功率PA与开关导通时负载获得的实际功率PLD之比，即PA/ PLD。若开关在关断时负载上的实际功率为PLD，则表示隔离度，写成分贝的形式。根据网络散射参量的定义，有。理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零，一般只能要求两者比值尽量大。由于PI N 管的阻抗不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离度，插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。
功率容量：所谓开关的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二极管的功率容量主要受到以下两方面的限制，管子导通时所允许的最大功耗；管子截止时所能承受的最大反向电压，也就是反向击穿电压。如果开关工作的时候超过了这些限制，前者会导致管内温升过高而烧毁；后者会导致I区雪崩击穿。它由开关开、关状态下允许的微波信号功率的较小者决定。大功率下的非线性效应(IIP3 )也是开关的承受功率的一个主要因素，特别是在移动通信基站中。
驱动器的要求：PIN 管开关和FET 开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，后者则要求有偏压，驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。

开关速度：指开关开通和关断的快慢，在快速器件中是一个很重要的指标。可以列出I区中的电流方程如下：。开关速度提高到ns量级，通常采用I层很薄的PIN管，因为薄I层中贮存的载流子数量很少，开关时间大大缩短，这种情况下开关时间基本取决于载流子渡越I层的时间，而与载流子寿命无关。提高开关速度也可选用载流子寿命短的管子，增大控制电流的脉冲幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向击穿电压的限制。
电压驻波比(VSWR)：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传输线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的，这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。

开关比：一个PIN管，在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻R1表示，反向状态可以用反向串联电阻R2和I层容抗jXc，串联表示。由于>>R2，，故反向状态可近似以jXc表示，我们称正反两种状态下阻抗的比值Xc／R1为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。如要使开关比增大，则C和R2必须比较小，可以看出，当频率提高时，开关性能降低。

1.4   PIN二极管开关电路结构及分析

用串联或者并联的方式，可以简单的分为单刀单掷开关（SPST）和单刀双掷开关（SPDT）。串联方式主要用于宽频，较小插入损耗的应用中；并联主要用于宽频范围较大隔离度的应用中。

1.4.1单刀单掷开关
 

单刀单掷开关

1.4.2  单刀双掷开关
 

单刀双掷开关

对并联型SPDT，如果二极管D1处于正向状态，二极管D2处于反向状态，则通道1被短路，因而无功率通过，而通道2由于处于开路状态而不影响功率的通过。由于D1接在离分支点λ／4处，在D1短路时，反映到分支点为开路，因此不影响功率对通道2的传输。

1.4.3  多管阵列开关

当频率升高时，串联或并联一只PIN管的开关，其性能指标将恶化，因此，可采用多个二极管级联，以提高开关性能。多管阵列型开关是在均匀传输线上等间隔的并联(或串联)若干个PIN管而构成，根据微波网络理论可对阵列型开关进行分析。单管开关级联就可做成阵列式开关，因此阵列式开关的分析可归结为级联网络分析，可用传递矩阵相乘的方法求出阵列开关的衰减特性。

采用多管串联的电路形式，可加大该通道开关的功率容量：而采用多管并联的形式，则可提高该通道开关的隔离度。对于多管开关，隔离度高，频带宽是其优点，缺点是管子数多，插损大，调试困难。

1.4.4  S波段梳状线滤波器型PIN开关
 

梳状滤波器的结构示意图

这是由梳状滤波器和PIN管结合而形成的SPST开关，由于此种开关中的PIN管的结电容被纳入滤波器的谐振元中，PIN管的寄生参数获得了合理的利用，从而大大提高了开关的性能。因此它具有较宽的带宽、损耗小、隔离度高、结构紧凑、体积小、重量轻的特点。

如果用PIN管的C代替图l中的集中电容C5就可能形成微波PIN开关。当PIN管施加反向偏压时，PIN开关处于通过状态，这时输入的微波信号以确定的损耗通过PIN开关，此时有：。其中Ci为PIN管的结电容，Cp为管壳电容。当PIN管施加正向偏压时，根据其转换特性，这时梳状滤波器的各个谐振器完全变成一个个失谐结构。它们对输入的微波信号具有完全截止的特性。

1.5 管芯类型参数及掺杂

1.5.1 MA-COM公司的产品

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二极管偏置于0 V，当高功率射频信号通过时，在pin二极管中会形成这样一种现象：在射频信号的正半周内，微波大电流使载流子在p-和n+的边界注入，但当射频电压反向时，并非所有注入的载流子全部退回，而有一部分进入I区，经过几个周期后，在I区形成稳态分布，从而使I区由高阻变为低阻，射频信号达到较高衰减，只允许一小部分称之为"平顶泄露"的射频功率通过(即限幅)；而在达到稳态之前，pin管对射频信号的衰减很小，这部分称为"尖峰泄漏"。pin管的这种射频电导率调制现象可用于微波限幅器的制作，并有利于制作耐功率较大的微波限幅器。
 

2.2电路结构

为提高限幅器的功率容量，可以通过级联提高，如图2所示，通过限幅器二极管的级联和并联可以极大提高限幅器的功率容量。图2(a)中的，单级电路图可以通过图2(b)的电路形式提高限幅器的功率隔离度，通过图2(c)的形式，提高限幅器的功率容量。为了提高限幅器的功率容量，可增加级联和并联的限幅器二极管数量。通过耦合输入信号进行检波，检波信号对限幅二极管施加正电压，能有效提高限幅器的功率容量。

图3所示，电路图是两级限幅器，通过级数的增加可以提高限幅器的隔离度。第一级限幅器由耦合检波器和限幅器共同构成，当脉冲或连续波信号通过时，耦合检波器产生一个正的检波电压加到第一级限幅器的限幅二极管的正端，降低限幅二极管R，(二极管正向电阻)
加大对高功率微波信号的反射，降低施加到限幅二极管的受功率。

 
2.3 性能参数

为保护电路不受损伤且保障系统在低功率电平下对信号影响最小，限幅器应当具有以下特性：
(1)当信号电平幅度低于限制门限的信号提供非常低的插入损耗；
(2)当信号电平幅度超过限制门限的信号提供非常高的损耗；
(3)拥有非常快的响应时间，在高功率信号到达后几纳秒内提供保护。

2.4管芯类型及掺杂

3  宏观电热特性及微观材料特性

在各类微波pin二极管电路应用中，二极管电阻的温度特性强烈地影响着微波电路的温度性能。pin二极管温度效应的研究包括对迁移率和载流子寿命的温度特性的理论分析和实验研究。

进行调研之后，发现已有的研究和文献针对几种不同结构和钝化材料的pin二极管，对其温度性能进行了研究，包括I区域载流子寿命与温度的关系、迁移率与温度的关系以及电阻与温度的关系，研究表明：pin二极管电阻的温度性能主要依赖于二极管结电容的大小。

图1表明，pin二极管的电阻可以随载流子寿命的增加而增加，也可以是减少或保持不变，当m=2时，pin二极管的电阻不随温度变化。影响载流子寿命因子m值的因素很多，包括：二极管几何结构(I区域的宽度、结直径、结形状等)、表面钝化材料的电学性质，以及本征层的载流子浓度等。这些因素中，由于pin二极管的工区域的载流子浓度一般不高于1014cm-3，当外延材料杂质浓度稳定且缺陷很少时，外延材料参数对载流子寿命因子的影响可以忽略。需要重点研究的是二极管几何结构、表面钝化材料对寿命因子m值的影响。
 

 图2 归一化电阻与温度关系

图3  PIN二极管隔离度与温度关系曲线

研究结果表明，微波pin二极管的电阻的温度性能微观上受载流子寿命、电子迁移率、表面状态等诸多因素的影响，其综合结果表现为二极管电容值对二极管的电阻的影响最大，微波pin二极管的钝化方式和几何结构对其电阻的温度性能影响不大。结电容为0．1~1．0 pF的微波二极管即使钝化方式不同，其电阻都具有正的温度系数，温度的升高导致二极管电阻的增加，约为线性关系。结电容越小，则m值越接近于2，电阻随温度的变化越小；反之，变化越大。

研究结果可以用来预计pin二极管开关的隔离度、衰减器衰减量的温度性能，通过温度补偿设计，制作出温度性能优良的pin二极管微波电路。

4  HPM效应

以pn 结是否因温度升高而功能失效, 将HPM 效应分成两大类, 即非失效效应和失效效应。干扰、翻转、扰乱没有造成半导体升温或造成的升温对pn 结的性能影响甚微, 称为非失效效应降级和损坏导致半导体高温熔化, 属于永久失效效应; 暂时失效虽然没有造成半导体永久损伤, 但升温使本征载流子浓度升高, 使本征载流子浓度与杂质浓度相当, 造成了pn 结功能暂时失效, 但微波脉冲过后pn 结又可恢复功能。热二次击穿和电流二次击穿是半导体pn 结的两种主要损伤模式。

2.4  PIN二极管HPM效应
（1） 频率
随着注入频率的增加(指正常工作频带内)，限幅器性能逐渐降低，其尖峰泄漏和平顶泄漏随频率增大。因为PIN二极管微波阻抗与1/f2成正比，所以平顶泄漏功率与随着频率的增加而增大。当微波频率较大时，由于微波周期变小，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）功率
PIN二极管所能承受的最大微波功率主要由击穿电压和最大结温升限制两大因数决定。前者由I层厚度决定；后者则分为连续波和脉冲两种情况。脉冲工作时其耗散功率较连续波工作方式要大的多。在微波脉冲作用时尖峰泄漏瞬态期间限幅器吸收功率较平顶泄漏稳态脉冲时要大的多。
（3）脉宽
脉冲前沿对薄PIN管尖峰泄漏功率影响不大；但对于大功率厚PIN管，脉冲前沿大小可对其导通过程产生较大影响，如尖峰泄漏功率、尖峰脉宽。而平项泄漏则只与PIN限幅器稳态导通阻抗有关。
（4）非线性特性
在注入功率高于限幅器阈值点后，限幅器输出产生较强非线性效应，输出有较多谐波分量。