二極體可用作射頻頻率的開關。本文將以常見的 1N4148 二極體為例，探討這個概念。這將有助於我們更好地理解開關電路的工作原理和限制。最後，我們將展望專為開關操作而設計的 PIN 二極體。
技術提示：1N4148 是一款通用二極體，恰好可以方便地取代真正的 PIN 二極體。請務必探索 DigiKey 提供的專用 PIN 二極體清單。
首先，我們回顧一下二極體的內部結構和偏壓關係。回想一下，電流可以自由流過正向偏壓的二極體。這在圖 1 中被簡化地表示為一個 PN 接面。當二極體反向偏壓時，P 接面和 N 接面之間會形成一個絕緣區域，阻止電流流動。
圖 1：反向偏壓二極體中形成的絕緣區域示意圖。
為了方便理解二極體的工作原理，我們可以採用分段定義：
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正向偏壓二極體表現為低阻值電阻
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反向偏壓二極體表現為電容
電容器由兩層導體組成，中間由介質層隔開。由於絕緣耗盡區與導電的 P 層和 N 層相鄰，因此定義適用於 P 層、I 層和 N 層。電容值隨反向偏壓呈非線性變化，也與結尺寸和摻雜濃度有關。通常，電容值在 pF 量級，電阻值在 1ohm 量級。
1N4148 二極體實驗
我們可以透過使用常見的 1N4148 通用二極體進行實驗，以更好地理解射頻開關的工作原理。圖2展示了 MultiSim Live 模擬結果。您可以點擊圖片，透過 MultiSim Live 線上工具與電路進行交互：您可以進行交互，但除非您訂閱了該服務，否則無法修改電路。
電路的核心由電阻 R1、R2、D1 以及電壓源 DG1 構成。DG1 提供 100VDC 電壓使 1N4148 正向偏壓，或提供 -75VDC 電壓使二極體反向偏壓。R1 和 R2 將電源電壓耦合到二極體，控制 PIN 結構的絕緣部分的膨脹或收縮。請注意，電容 C1 和 C2 分別將二極體與電源和負載進行容性耦合。它們將忽略施加在二極體中心部分的所有直流電壓。另請注意，R1 和 R2 可以替換為適用於所施加射頻頻率的電感器。
圖 2：串聯射頻開關，採用 1N4148 通用二極體。
當電路施加 100V 正向偏壓時，二極體的絕緣層會塌陷，產生約 5mA 的靜態電流。此時，二極體相當於一個閉合開關，有效地將 C1 節點連接到 C2 節點。在本例中，二極體的電阻可以忽略不計。可以說，該電路的插入損耗很低。
當 DG1 翻轉時，二極體會施加 -75VDC 的反向偏壓。PIN 結構中的絕緣層會膨脹，此時二極體相當於電容器。在本例中，輸出電壓從 994mV 降至 2.6mV。模擬結果顯示，輸出電壓差為 51dB，計算公式如下：
dB_{isolation} = 20log(\dfrac{994}{2.6}) \approx 51
雖然這還算可以，但並不理想。模擬器的示波器上仍然可以看到輸出訊號。數值差異就像大聲交談和耳語之間的差別。開關有缺陷，導致輸入訊號洩漏到輸出端。
提升效能的思路
在嘗試提升電路效能之前，了解反向偏壓對電容的影響至關重要。圖 3 展示了反向偏壓改變時輸出電壓的模擬結果。圖 3 的結果與圖 4 所示的 1N4148 規格書密切相關。電容隨反向偏壓的增加呈非線性下降。值得注意的是，這是一個非線性過程，在較小的反向偏壓下變化最為顯著。
圖 3：電路輸出電壓與反向偏壓的關係。
對於 1N4148 二極體，考慮到安全工作條件，我們設定的 -75VDC 已經相當理想了。根據規格書，我們設定的電壓值已達到該裝置絕對設計最大值 100VDC 的 75%。
圖 4：1N4148 二極體電容隨反向偏壓變化的曲線圖。
我們可以透過串聯更多二極體來改善這種情況。然而，這並非理想方案，因為反向電壓可能無法均勻分佈。平衡各二極體結電壓的方法只會加劇輸入訊號向輸出的串擾。
技術提示：反向偏壓是真正 PIN 二極體的重要規格。反向電壓規格超過 500VDC 的二極體並不罕見。然而，正如非線性響應所暗示的那樣，在高電壓下降低電容的收益會逐漸遞減 — 更不用說電路複雜性的增加了。
其他選擇包括使用複合電路。在本例中，我們使用了一個簡單的串聯二極體作為衰減器。複合電路可能包含這個串聯衰減器以及一個並聯分流器，以進一步降低輸出電壓。
最終建議是選擇專為射頻應用設計的 PIN 二極體。這些二極體在給定反向電壓下具有更高的響應（更小的電容）。有多種型號可用於處理高功率，頻率範圍擴展至 GHz 等級。
有關 PIN 二極體的更多資訊，請參閱以下連結。