PIN射頻開(kāi)關(guān)與PIN限幅器

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2、 48779份資料1 PPIN射射頻開(kāi)關(guān)關(guān)1.1工工作原理理PIN二二極管是是一個(gè)在在射頻和和微波頻頻段受偏偏置電流流控制的的可變阻阻抗器它的結(jié)結(jié)構(gòu)有三層層，在硅半導(dǎo)導(dǎo)體二極管的的P結(jié)和N結(jié)中間間夾著高高阻值的的本征I層。在在正向電電流偏置置下，空空穴和電電子被注注入到II層。這這些電荷荷不會(huì)立立刻相互互抵消而而消失。而是會(huì)會(huì)存在一一定的時(shí)時(shí)間這這個(gè)時(shí)間間定義為為載流子壽壽命，這這樣，就就會(huì)產(chǎn)生生并存儲(chǔ)一一定的電電荷量，這些電電荷使得得I層的有有阻抗降降低到RR。當(dāng)PPIN管管處于零零偏或反反偏的時(shí)時(shí)候，在在I層不會(huì)會(huì)存儲(chǔ)電電荷，這這樣二極極管就表表現(xiàn)為一一個(gè)電容容CT并聯(lián)一個(gè)電阻R也就是是利

3、用了了PINN二極管管在不同同偏置電電流下，存儲(chǔ)在在I層的的電荷量量的不同同從而表表現(xiàn)出高高或低的的阻抗值值。PIN二二極管主主要參數(shù)數(shù)R正向偏偏置狀態(tài)態(tài)下的串串聯(lián)電阻阻C零或反反偏狀態(tài)態(tài)下的電電容R零或反反偏狀態(tài)態(tài)下的并并聯(lián)電阻阻V最大允允許的反反偏直流流電壓載流子壽壽命P最大平平均功耗耗1.2 PIIN二極極管的射射頻等效效電路PIN等等效電路路在等效電電路中，L為寄寄生電感感，一般般小于11nH，在射頻頻（3000KHHz-330GHHz）情情況下其其阻抗很很小，可可忽略。正向偏偏置時(shí)，阻抗主主要由RR決定，但R亦亦很小，所以在在串聯(lián)電電路中起起導(dǎo)通作作用，也也就是開(kāi)開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”。反向向

4、偏置時(shí)時(shí)，電阻阻R和偏偏置電流流成正比比，與頻頻率成反反比，其其阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電電容C阻阻抗，因因此阻抗抗主要由由C決定定，而CC阻抗很很大，因因此在射射頻電路路中起到到斷開(kāi)作作用，也也就是“關(guān)”。PIN開(kāi)開(kāi)關(guān)的主主要性能能指標(biāo)帶寬:不不僅開(kāi)關(guān)關(guān)的最高高工作頻頻率會(huì)受受到限制制，最低工工作頻率率也會(huì)受受到限制制，如PI N 管管就不能能控制直直流或低低頻信號(hào)號(hào)的通斷斷。受管子子截止頻頻率的影影響,開(kāi)開(kāi)關(guān)還有有一個(gè)上上限工作作頻率。要求開(kāi)開(kāi)關(guān)的頻頻帶盡量量寬，因因?yàn)樾盘?hào)號(hào)源的頻頻帶越來(lái)來(lái)越寬。插入損耗耗和隔離離度：插插入衰減減定義為為信號(hào)源源產(chǎn)生的的最大資資用功率率P與開(kāi)關(guān)關(guān)導(dǎo)通時(shí)時(shí)負(fù)載獲獲得的實(shí)

5、實(shí)際功率率P之比，即P/P。若開(kāi)開(kāi)關(guān)在關(guān)關(guān)斷時(shí)負(fù)負(fù)載上的的實(shí)際功功率為PP，則表示示隔離度度，寫(xiě)成成分貝的的形式。根據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)散射射參量的的定義，有。理想開(kāi)開(kāi)關(guān)，在斷開(kāi)開(kāi)時(shí)衰減減無(wú)限大大，導(dǎo)通時(shí)時(shí)衰減為為零，一般只只能要求求兩者比比值盡量量大。由于PII N 管的阻阻抗不能能減小到到零，也不能能增大至至無(wú)限大大，所以實(shí)實(shí)際的開(kāi)開(kāi)關(guān)在斷斷開(kāi)時(shí)衰衰減不是是無(wú)限大大，導(dǎo)通時(shí)時(shí)也不是是零，一般只只能要求求兩者的的比值應(yīng)應(yīng)盡量大大，開(kāi)關(guān)的的導(dǎo)通衰衰減稱插插入損耗耗，斷開(kāi)時(shí)時(shí)的衰減減稱為隔隔離度，插入損損耗和隔隔離度是是衡量開(kāi)開(kāi)關(guān)質(zhì)量量?jī)?yōu)劣的的基本指指標(biāo)。目標(biāo)是是設(shè)計(jì)低低插入損損耗和高高隔離的的開(kāi)關(guān)。功率容

6、量量：所謂謂開(kāi)關(guān)的的功率容容量是指指它能承承受的最最大微波波功率。PINN二極管管的功率率容量主主要受到到以下兩兩方面的的限制，管子導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)所所允許的的最大功功耗；管管子截止止時(shí)所能能承受的的最大反反向電壓壓，也就就是反向向擊穿電電壓。如如果開(kāi)關(guān)關(guān)工作的的時(shí)候超超過(guò)了這這些限制制，前者者會(huì)導(dǎo)致致管內(nèi)溫溫升過(guò)高高而燒毀毀；后者者會(huì)導(dǎo)致致I區(qū)雪崩崩擊穿。它由開(kāi)開(kāi)關(guān)開(kāi)、關(guān)狀態(tài)態(tài)下允許許的微波波信號(hào)功功率的較較小者決決定。大大功率下下的非線線性效應(yīng)應(yīng)(IIPP3 )也是開(kāi)開(kāi)關(guān)的承承受功率率的一個(gè)個(gè)主要因因素，特別是是在移動(dòng)動(dòng)通信基基站中。驅(qū)動(dòng)器的的要求：PI N 管管開(kāi)關(guān)和和FETT 開(kāi)關(guān)關(guān)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)電

7、路是是不同的的，前者需需要提供供電流偏偏置，后者則則要求有有偏壓，驅(qū)動(dòng)器器好壞是是影響開(kāi)開(kāi)關(guān)速度度的主要要因素之之一。開(kāi)關(guān)速度度：指開(kāi)關(guān)關(guān)開(kāi)通和和關(guān)斷的的快慢，在快速速器件中中是一個(gè)個(gè)很重要要的指標(biāo)標(biāo)?？梢粤谐龀鯥區(qū)中的的電流方方程如下下：。開(kāi)關(guān)關(guān)速度提提高到nns量級(jí)級(jí)，通常采采用I層很薄薄的PIIN管，因?yàn)楸”層中貯貯存的載載流子數(shù)數(shù)量很少少，開(kāi)關(guān)時(shí)時(shí)間大大大縮短，這種情情況下開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)間間基本取取決于載載流子渡渡越I層的時(shí)時(shí)間，而與載載流子壽壽命無(wú)關(guān)關(guān)。提高高開(kāi)關(guān)速速度也可可選用載載流子壽壽命短的的管子，增大控控制電流流的脈沖沖幅度，但后者者受到PPIN管管最大功功率和反反向擊穿穿電壓的

8、的限制。電壓駐波波比(VSWWR)：任何在在高頻信信號(hào)通道道上的元元器件不不僅會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生插入入損耗，也會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致信號(hào)號(hào)傳輸線線上的駐駐波的增增加。駐波是是由傳送送電磁波波與反射射波干涉涉而形成成的，這種干干涉經(jīng)常常是系統(tǒng)統(tǒng)中不同同部分的的阻抗不不匹配或或者是系系統(tǒng)中連連接點(diǎn)的的阻抗不不匹配造造成的。開(kāi)關(guān)比：一個(gè)PPIN管管，在不不考慮封封裝寄生生參量時(shí)時(shí)，其正正向狀態(tài)態(tài)可用正正向電阻阻R1表示，反向狀狀態(tài)可以以用反向向串聯(lián)電電阻R2和I層容抗抗jXcc，串聯(lián)聯(lián)表示。由于R22，故故反向狀狀態(tài)可近近似以jjXc表表示，我我們稱正正反兩種種狀態(tài)下下阻抗的的比值XXcR1為開(kāi)關(guān)關(guān)比，用用以衡量量PINN

9、開(kāi)關(guān)的的優(yōu)劣。如要使使開(kāi)關(guān)比比增大，則C和和R2必必須比較較小，可可以看出出，當(dāng)頻頻率提高高時(shí)，開(kāi)開(kāi)關(guān)性能能降低。1.4 PPIN二二極管開(kāi)開(kāi)關(guān)電路路結(jié)構(gòu)及及分析用串聯(lián)或或者并聯(lián)聯(lián)的方式式，可以以簡(jiǎn)單的的分為單單刀單擲擲開(kāi)關(guān)（SPSST）和和單刀雙雙擲開(kāi)關(guān)關(guān)（SPPDT）。串聯(lián)聯(lián)方式主主要用于于寬頻，較小插插入損耗耗的應(yīng)用用中；并并聯(lián)主要要用于寬寬頻范圍圍較大隔隔離度的的應(yīng)用中中。1.4.1單刀刀單擲開(kāi)開(kāi)關(guān)單刀單擲擲開(kāi)關(guān)1.4.2 單刀雙雙擲開(kāi)關(guān)關(guān)單刀雙擲擲開(kāi)關(guān)對(duì)并聯(lián)型型SPDDT，如如果二極極管D11處于正正向狀態(tài)態(tài)，二極極管D2處于反反向狀態(tài)態(tài)，則通通道1被短路路，因而而無(wú)功率率通過(guò)，而通

10、道道2由于處處于開(kāi)路路狀態(tài)而而不影響響功率的的通過(guò)。由于DD1接在在離分支支點(diǎn)44處，在在D1短路路時(shí)，反反映到分分支點(diǎn)為為開(kāi)路，因此不不影響功功率對(duì)通通道2的傳輸輸。1.4.3 多管陣陣列開(kāi)關(guān)關(guān)當(dāng)頻率升升高時(shí)，串聯(lián)或或并聯(lián)一一只PIIN管的的開(kāi)關(guān)，其性能能指標(biāo)將將惡化，因此，可采用用多個(gè)二二極管級(jí)級(jí)聯(lián)，以以提高開(kāi)開(kāi)關(guān)性能能。多管管陣列型型開(kāi)關(guān)是是在均勻勻傳輸線線上等間間隔的并并聯(lián)(或串聯(lián)聯(lián))若干個(gè)個(gè)PINN管而構(gòu)構(gòu)成，根根據(jù)微波波網(wǎng)絡(luò)理理論可對(duì)對(duì)陣列型型開(kāi)關(guān)進(jìn)進(jìn)行分析析。單管開(kāi)開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)聯(lián)就可做做成陣列列式開(kāi)關(guān)關(guān)，因此此陣列式式開(kāi)關(guān)的的分析可可歸結(jié)為為級(jí)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析析，可用用傳遞矩矩陣相乘乘的

11、方法法求出陣陣列開(kāi)關(guān)關(guān)的衰減減特性。采用多管管串聯(lián)的的電路形形式，可可加大該該通道開(kāi)開(kāi)關(guān)的功功率容量量：而采采用多管管并聯(lián)的的形式，則可提提高該通通道開(kāi)關(guān)關(guān)的隔離離度。對(duì)對(duì)于多管管開(kāi)關(guān)，隔離度度高，頻頻帶寬是是其優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，缺點(diǎn)點(diǎn)是管子子數(shù)多，插損大大，調(diào)試試?yán)щy。1.4.4 S波段段梳狀線線濾波器器型PIIN開(kāi)關(guān)關(guān)梳狀濾波波器的結(jié)結(jié)構(gòu)示意意圖這是由梳梳狀濾波波器和PPIN管管結(jié)合而而形成的的SPSST開(kāi)關(guān)關(guān)，由于于此種開(kāi)開(kāi)關(guān)中的的PINN管的結(jié)結(jié)電容被被納入濾濾波器的的諧振元元中，PPIN管管的寄生生參數(shù)獲獲得了合合理的利利用，從從而大大大提高了了開(kāi)關(guān)的的性能。因此它它具有較較寬的帶帶寬、損損耗

12、小、隔離度度高、結(jié)結(jié)構(gòu)緊湊湊、體積積小、重重量輕的的特點(diǎn)。如果用PPIN管管的C代替圖圖l中的集集中電容容C5就可可能形成成微波PPIN開(kāi)開(kāi)關(guān)。當(dāng)當(dāng)PINN管施加加反向偏偏壓時(shí)，PINN開(kāi)關(guān)處處于通過(guò)過(guò)狀態(tài)，這時(shí)輸輸入的微微波信號(hào)號(hào)以確定定的損耗耗通過(guò)PPIN開(kāi)開(kāi)關(guān)，此此時(shí)有：C+CC=C。其中CC為PINN管的結(jié)結(jié)電容，C為管管殼電容容。當(dāng)PPIN管管施加正正向偏壓壓時(shí)，根根據(jù)其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換特性性，這時(shí)時(shí)梳狀濾濾波器的的各個(gè)諧諧振器完完全變成成一個(gè)個(gè)個(gè)失諧結(jié)結(jié)構(gòu)。它它們對(duì)輸輸入的微微波信號(hào)號(hào)具有完完全截止止的特性性。1.5 管芯類類型參數(shù)數(shù)及摻雜雜1.5.1 MMA-CCOM公公司的產(chǎn)產(chǎn)品M/A-

13、COMM Teechnnoloogy Sollutiionss offferrs aa coomprreheensiivellinee off loow ccapaacittancce, plaanarr annd mmesaa, ssiliiconn PIINdiiodee chhipss whhichh usse cceraamicc gllasss annd ssiliiconn niitriideppasssivaatioon ttechhnollogyy. TThe Sillicoon PPIN Chiip sseriies ofddeviicess cooverr a brooad

14、 speectrrum of perrforrmanncerrequuireemennts forr coontrrol cirrcuiit aappllicaatioons. Thhey areeavaailaablee inn seeverral chooicees oof II-reegioon llenggthss annd hhaveebeeen ooptiimallly dessignned to minnimiize parrameetriic ttradde ooffsswheen cconssideerinng llow cappaciitannce, loow sserii

15、es ressisttancce,aand higgh bbreaakdoown volltagges. Thheirr smmalll siize andd loowpaarassitiics, maake theem aan iideaal cchoiice forr brroaddbannd, higghfrrequuenccy, miccro-strrip hybbridd asssemmbliies.Notees:1. NNomiinall caarriier liffe ttimee,TLL , speeciffiedd att IFF = + 110mAA , IREEV = -

16、 6mAA.2. NNomiinall reeverrse reccoveery timme sspeccifiied at IF = + 200mA , IIREVV = - 2200mmA.3. VVR ( Revversse VVolttagee ) is souurceed aand thee reesulltannt rreveersee leeakaage currrennt, Ir, iss meeasuuredd too bee 110AA.2 PPIN限限幅器2.1 工作作原理PIN二二極管偏偏置于00 V，當(dāng)高功功率射頻頻信號(hào)通通過(guò)時(shí)，在piin二極極管中會(huì)會(huì)形成這這樣一種

17、種現(xiàn)象：在射頻頻信號(hào)的的正半周周內(nèi)，微微波大電電流使載載流子在在p-和n+的邊邊界注入入，但當(dāng)當(dāng)射頻電電壓反向向時(shí)，并并非所有有注入的的載流子子全部退退回，而而有一部部分進(jìn)入入I區(qū)，經(jīng)經(jīng)過(guò)幾個(gè)個(gè)周期后后，在II區(qū)形成成穩(wěn)態(tài)分分布，從從而使II區(qū)由高高阻變?yōu)闉榈妥?，射頻信信號(hào)達(dá)到到較高衰衰減，只只允許一一小部分分稱之為為“平頂泄泄露”的射頻頻功率通通過(guò)(即限幅幅)；而在在達(dá)到穩(wěn)穩(wěn)態(tài)之前前，piin管對(duì)對(duì)射頻信信號(hào)的衰衰減很小小，這部部分稱為為“尖峰泄泄漏”。pinn管的這這種射頻頻電導(dǎo)率率調(diào)制現(xiàn)現(xiàn)象可用用于微波波限幅器器的制作作，并有有利于制制作耐功功率較大大的微波波限幅器器。電路結(jié)構(gòu)構(gòu)為提高限

18、限幅器的的功率容容量，可可以通過(guò)過(guò)級(jí)聯(lián)提提高，如如圖2所示，通過(guò)限限幅器二二極管的的級(jí)聯(lián)和和并聯(lián)可可以極大大提高限限幅器的的功率容容量。圖圖2(aa)中的的，單級(jí)級(jí)電路圖圖可以通通過(guò)圖22(b)的電路路形式提提高限幅幅器的功功率隔離離度，通通過(guò)圖22(c)的形式式，提高高限幅器器的功率率容量。為了提提高限幅幅器的功功率容量量，可增增加級(jí)聯(lián)聯(lián)和并聯(lián)聯(lián)的限幅幅器二極極管數(shù)量量。通過(guò)過(guò)耦合輸輸入信號(hào)號(hào)進(jìn)行檢檢波，檢檢波信號(hào)號(hào)對(duì)限幅幅二極管管施加正正電壓，能有效效提高限限幅器的的功率容容量。圖3所示示，電路路圖是兩兩級(jí)限幅幅器，通通過(guò)級(jí)數(shù)數(shù)的增加加可以提提高限幅幅器的隔隔離度。第一級(jí)級(jí)限幅器器由耦合合

19、檢波器器和限幅幅器共同同構(gòu)成，當(dāng)脈沖沖或連續(xù)續(xù)波信號(hào)號(hào)通過(guò)時(shí)時(shí)，耦合合檢波器器產(chǎn)生一一個(gè)正的的檢波電電壓加到到第一級(jí)級(jí)限幅器器的限幅幅二極管管的正端端，降低低限幅二二極管RR，(二極管管正向電電阻)加大對(duì)高高功率微微波信號(hào)號(hào)的反射射，降低低施加到到限幅二二極管的的受功率率。 性能參參數(shù)為保護(hù)電電路不受受損傷且且保障系系統(tǒng)在低低功率電電平下對(duì)對(duì)信號(hào)影影響最小小，限幅幅器應(yīng)當(dāng)當(dāng)具有以以下特性性：(1)當(dāng)當(dāng)信號(hào)電電平幅度度低于限限制門(mén)限限的信號(hào)號(hào)提供非非常低的的插入損損耗；(2)當(dāng)當(dāng)信號(hào)電電平幅度度超過(guò)限限制門(mén)限限的信號(hào)號(hào)提供非非常高的的損耗；(3)擁?yè)碛蟹浅３？斓捻戫憫?yīng)時(shí)間間，在高高功率信信號(hào)到達(dá)

20、達(dá)后幾納納秒內(nèi)提提供保護(hù)護(hù)。2.4管管芯類型型及摻雜雜3 宏宏觀電熱熱特性及及微觀材材料特性性在各類微微波piin二極極管電路路應(yīng)用中中，二極極管電阻阻的溫度度特性強(qiáng)強(qiáng)烈地影影響著微微波電路路的溫度度性能。pinn二極管管溫度效效應(yīng)的研研究包括括對(duì)遷移移率和載載流子壽壽命的溫溫度特性性的理論論分析和和實(shí)驗(yàn)研研究。進(jìn)行調(diào)研研之后，發(fā)現(xiàn)已已有的研研究和文文獻(xiàn)針對(duì)對(duì)幾種不不同結(jié)構(gòu)構(gòu)和鈍化化材料的的pinn二極管管，對(duì)其其溫度性性能進(jìn)行行了研究究，包括括I區(qū)域域載流子子壽命與與溫度的的關(guān)系、遷移率率與溫度度的關(guān)系系以及電電阻與溫溫度的關(guān)關(guān)系，研研究表明明：piin二極極管電阻阻的溫度度性能主主要依賴賴

21、于二極極管結(jié)電電容的大大小。圖1表明明，piin二極極管的電電阻可以以隨載流流子壽命命的增加加而增加加，也可可以是減減少或保保持不變變，當(dāng)mm=2時(shí)時(shí)，piin二極極管的電電阻不隨隨溫度變變化。影影響載流流子壽命命因子mm值的因因素很多多，包括括：二極極管幾何何結(jié)構(gòu)(I區(qū)域域的寬度度、結(jié)直直徑、結(jié)結(jié)形狀等等)、表表面鈍化化材料的的電學(xué)性性質(zhì)，以以及本征征層的載載流子濃濃度等。這些因因素中，由于ppin二二極管的的工區(qū)域域的載流流子濃度度一般不不高于110cmm，當(dāng)外外延材料料雜質(zhì)濃濃度穩(wěn)定定且缺陷陷很少時(shí)時(shí)，外延延材料參參數(shù)對(duì)載載流子壽壽命因子子的影響響可以忽忽略。需需要重點(diǎn)點(diǎn)研究的的是二極極

22、管幾何何結(jié)構(gòu)、表面鈍鈍化材料料對(duì)壽命命因子mm值的影影響。圖2 歸歸一化電電阻與溫溫度關(guān)系系 圖33 PPIN二二極管隔隔離度與與溫度關(guān)關(guān)系曲線線 研究究結(jié)果表表明，微微波piin二極極管的電電阻的溫溫度性能能微觀上上受載流流子壽命命、電子子遷移率率、表面面狀態(tài)等等諸多因因素的影影響，其其綜合結(jié)結(jié)果表現(xiàn)現(xiàn)為二極極管電容容值對(duì)二二極管的的電阻的的影響最最大，微微波piin二極極管的鈍鈍化方式式和幾何何結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)其電阻阻的溫度度性能影影響不大大。結(jié)電電容為001100 pFF的微波波二極管管即使鈍鈍化方式式不同，其電阻阻都具有有正的溫溫度系數(shù)數(shù)，溫度度的升高高導(dǎo)致二二極管電電阻的增增加，約約為線性性關(guān)系。結(jié)電容容越小，則m值值越接近近于2，電阻隨隨溫度的的變化越越??；反反之，變變化越大大。 研研究結(jié)果果可以用用來(lái)預(yù)計(jì)計(jì)pinn二極管管開(kāi)關(guān)的的隔離度度、衰減減器衰減減量的溫溫度性能能，通過(guò)過(guò)溫度補(bǔ)補(bǔ)償設(shè)計(jì)計(jì)，制作作出溫度度性能優(yōu)優(yōu)良的ppin二二極管微微波電路路。4 HHPM效效應(yīng)以pn 結(jié)是否否因溫度度升高而而功能失失效, 將HPMM 效應(yīng)應(yīng)分成兩兩大類, 即非非失效效效應(yīng)和失失效效應(yīng)應(yīng)。干擾擾、翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、擾亂亂沒(méi)有造造成半導(dǎo)導(dǎo)體升溫溫或造成成的升溫溫對(duì)pnn 結(jié)的的性能影影響甚微微, 稱為為非失效效效應(yīng)降降級(jí)和損損壞導(dǎo)致致半導(dǎo)體體高溫熔熔化,