PIN二極管

微波開關利用PIN管在直流正-反偏壓下呈現近似導通或斷開的阻抗特性,實現了控制微波信號通道轉換作用. PIN 二極管的直流伏安特性和PN結二極管是一樣的，但是在微波頻段卻有根本的差別。由於PIN 二極I層的總電荷主要由偏置電流產生。而不是由微波電流瞬時值產生，所以其對微波信號只呈現一個線性電阻。此阻值由直流偏置決定，正偏時阻值小，接近於短路，反偏時阻值大，接近於開路。因此PIN 二極對微波信號不產生非線性整流作用，這是和一般二極管的根本區別，所以它很適合於做微波控制器件。

因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應用於高頻開關（即微波開關）、移相、調製、限幅等電路中。

因為 PIN二極管的射頻電阻與直流偏置電流有關，所以它可以用作為射頻開關和衰減器。串聯射頻開關電路：當二極管正偏時，即接通（短路）；當二極管零偏或者反偏時，不僅開關的最高工作頻率會受到限制，最低工作頻率也會受到限制，如PIN管就不能控制直流或低頻信號的通斷。受管子截止頻率的影響,開關還有一個上限工作頻率。要求開關的頻帶儘量寬，因為信號源的頻帶越來越寬。 ^[1] 

加負電壓（或零偏壓）時，PIN管等效為電容+電阻；加正電壓時，PIN管等效為小電阻。用改變結構尺寸及選擇PIN二極管參數的方法，使短路的階梯脊波導的反射相位（基準相位）與加正電壓的PIN管控制的短路波導的反射相位相同。還要求加負電壓（或0偏置）的PIN管控制的短路波導的反射相位與標準相位相反（-164°～+164°之間即可）。

圖1給出了PIN二極管在正向導通時的電荷分佈情況．為簡化起見，我們假設I區域中電子與空穴分佈對稱且分佈密度相同．設x=－d處的空穴分佈密度為p1，在[－d,0]區域中的剩餘空穴電荷為q2，且位於x=－d/2處，這樣此區域的平均空穴密度為：p2=q2/qAd．這裏A為結面積，q為單位電荷．

圖1　PIN二極管的電荷分佈

由於P+區域的空穴密度遠大於電子密度，這樣在x=－d處的電子電流可以忽略(所引起的誤差將在下文討論)．二極管的電流密度可以表示為[9]

其中　Da為擴散常數；Jh為空穴電流密度．

二極管的電流為

電荷q2與電流的關係式為

其中　τa為壽命時間．

式(2)及式(3)描述了二極管的模型，通過定義qE=2q1，　qM=2q2及T=d2/2Da，兩式可簡化為

圖2表示了在感性負載時二極管的關斷過程．此過程可分為兩個階段：從t=T0到t=T1，二極管處於低阻抗狀態，其電壓近似為0，在t=T1時刻，二極管中I區域邊緣的剩餘電荷變為0，二極管開始呈現高阻抗狀態．在式(4)、(5)中令qE=0可得t=T1時刻後二極管的電流為

其中　τ?rr由式(7)給出，I?rr為反向恢復電流峯值．

圖2　反向恢復電流波形

一般情況下，t?rr、I?rr及測試條件di/dt、I?FM均在器件的產品手冊上列出．根據式(6)及測試條件，τ?rr可由下式獲得

其中　a=－di/dt．

根據圖2所示的反向電流波形，qM在t≤T1階段的表達式為

當t=T1時，i（T1）=－I?rr=－qM（T1）/T，代入上式得式(10)，τa可由此式解出

然後參數T可由τa、T及τ?rr的關係式(7)算出．

從以上的討論可以看出，該模型的參數可以方便地從產品手冊中得到：首先由式(8)計算τ?rr，再從式(10)解得τa，最後由式(7)決定參數T。 ^[2] 

1. 插入損耗：開關在導通時衰減不為零，稱為插入損耗

2. 隔離度：開關在斷開時其衰減也非無窮大，稱為隔離度

3. 開關時間： 由於電荷的存儲效應，PIN管的通斷和斷通都需要一個過程，這個過程所需時間

4. 承受功率： 在給定的工作條件下，微波開關能夠承受的最大輸入功率

5. 電壓駐波係數： 僅反映端口輸入，輸出匹配情況

6. 視頻泄漏

7. 諧波： PIN二極管也具有非線性，因而會產生諧波，PIN開關在寬帶應用場合，諧波可能落在使用頻帶內引起干擾. 開關分類：反射式和吸收式， 吸收式開關的性能較反射式開關優良

控制方式：採用TTL信號控制。'1'通'0'斷

PIN二極管型號的選擇主要是根據所做光功率計的測量範圍來確定的。常用的PIN二極管(如FU-15PD)都是小信號工作器件,光敏面不合適,能接收的光功率範圍很有限,所以一般不用它做光功率計的探測器。

PIN二極管還可以調節到高頻範圍。為改善隔離特性，我們可以將兩個或多個二極管串聯起來，但同時會引起介入損耗的增大。PIN二極管本質上還屬於電流控制的電阻器。為減少介入損耗，它們需要採用大量的直流電源以降低I（本徵）區內的電阻率。這顯然會影響電池壽命。這種特點，再加上PIN二極管方案需要大量器件，使得這種技術很難應用於便攜手持式產品。