简 介： 根据PN结的电流电压方程，可以看到它与PN温度有关，基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。选择NPN，PNP三极管（2N3906,2N3904）所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[1] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。
关键词： PN结，二极管
在 LINEAR TECHNOLOGY[2] 技术文档Accurate Temperature Sensing with a External P-N Junction[6] 给出了 利用外置的PN结测量温度的方案。这类方案中应用到 LTC2974[3] 、 LTC3880[4] 、 LTC3883[5] 这类开关电源中的温度管理中。
这篇文档提到应用PNP型三极管 2N3906[6] 的 b-e PN 结温度特性来测量外部温度。这个三极管在 三极管的耐压与hFE之间是什么关系？[7] 被测量过，说明我手头是存在这款三极管的。
在 博文 利用二极管的P-N结的I-V特性测量Boltzmann常数[8] 利用了 对应的 NPN型（ 2N2904[9] ）测量了Boltzmann常数，精度在1.4%之内。这也间接证明了利用三极管中的PN结测量温度的实验基础。
1.1.1 提出问题上面的资料给我们提出了以下问题：
为什么需要借助于三极管中的PN结来测量温度，而不是简单的使用普通的二极管的PN结？
对于PNP，NPN型三极管，究竟哪一种PN结测量温度比较高？
通常下，直接使用二极管测量V-A特性，会发现它与PN前向偏置电流方程有差别：
下面是在 Forward and Reverse Bias of a PN Junction (Explained) 给出的普通二极管V-A特性曲线。
▲ 图1.1.1 PN结的V-I 特性
在 PN Junction Theory for Semiconductor Diodes[10] 中给出了二极管的 I-V 特性曲线：
▲ 图1.1.2 二极管 I-V 特性曲线
在 Measurement of Boltzmanns constant[11] 作者D.E Evans展示了使用普通的设备在 TIP29[12] 功率 PNP三极管的 b-e 结上测量 e/k 常数的实验。其中提到，在满足 V的时候，对于普通的PN结中的 多数载流子和表面电流的影响都被基极电流抵消了，因此集电极电流 正好反映了 PN 结电流的内容。
▲ 图1.1.1 三极管的集电极电流反映了PN结电流
在 Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 的中间，CHOICE of PN Junction Device一节中也给出了为什么选择 PNP，NPN三极管来测量PN温度的说明：
一些二极管的前向导通电压与温度之间并没有特别大的关系，主要可能是来自于反向Is电流与温度也有关系，这就为什么普通的二极管的电压特性与温度之间是反向的关系，而不是像前面公式中所选择的那样；
三极管中的PN结具有很大的理想因子 ，这对于提高测量精度有利。
▲ 图1.1.4 LTSpice 仿真对比了2N3906, 1N4148 PN结 I-V特性曲线
（2）NPN 与 PNP
至于使用NPN还是PNP来测量温度，在所能够看到的文献中并没有进行对比。
不过在Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 对于2N3906（PNP），2N3904（NPN）都表示可以的。
1.2 相关公式 1.2.1 PN结电流方程：前向电流
：反向饱和电流
：B-E 前向电压
：温度电压
：理想因子
：玻尔兹曼常数
在 的时候，上述公式中的 可以省略：
402 Payment Required则对应的温度：
如果使用差分电流，也就是分别测量在 两个电流下的对应 ，那么可以获得：
特别是两个电流呈现比例关系： ，则：
402 Payment Required在最终的温度计算公式中，二极管的反向饱和电流 被消去，就只剩下一个二极管理想因子 。
02 电路设计 2.1 电路布线
▲ 图2.1.1 测量基本原理图
▲ 图2.1.2 利用LTC2991读取NPN的PN结温度传感器
※ 总 结 ※
根据PN结的电流电压方程，可以看到它与PN温度有关，基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。
选择NPN，PNN三极管（2N3906,2N3904）所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[6] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。
参考资料[1]
Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an137f.pdf
[2]LINEAR TECHNOLOGY: https://baike.baidu.com/item/%E5%87%8C%E5%8A%9B%E5%B0%94%E7%89%B9%E5%85%AC%E5%8F%B8/10525125
[3]LTC2974: https://www.analog.com/en/products/ltc2974.html
[4]LTC3880: https://www.analog.com/en/products/ltc3880.html#product-overview
[5]LTC3883: https://www.analog.com/cn/products/ltc3883.html
[6]2N3906: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/2n3906-d.pdf
[7]三极管的耐压与hFE之间是什么关系？: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/120946851
[8]利用二极管的P-N结的I-V特性测量Boltzmann常数: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/107117476
[9]2N2904: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/11470/ONSEMI/2N3904.html
[10]PN Junction Theory for Semiconductor Diodes: https://electricala2z.com/electronics/pn-junction-theory-for-semiconductor-diodes/
[11]Measurement of Boltzmanns constant: http://pleclair.ua.edu/PH255/papers/Planck-Boltzmann/measure_e-k-2.pdf
[12]TIP29: https://html.alldatasheet.com/html-pdf/2774/MOSPEC/TIP29/144/1/TIP29.html
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