如何利用PN结来测量温度？

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，PNN三极管（2N3906,2N3904）所得到的温度比起普通的PN届更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction 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

理论基础

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Contents

相关芯片

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电路设计

电路布线

总 结

理论基础

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1.1 相关芯片

在 LINEAR TECHNOLOGY 技术文档Accurate Temperature Sensing with a External P-N Junction 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 、 LTC3880 、 LTC3883 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 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？ 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 利用了 对应的 NPN型（ 2N2904 ）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届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届？

对于PNP，NPN型三极管，究竟哪一种PN届测量温度比较高？

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：

i D = I s ( e V D n k ⋅ T − 1 ) = I s ( e V D n ⋅ V T − 1 ) i_D = I_s \left( {e^{{{V_D } \over {nk \cdot T}}} - 1} \right) = I_s \left( {e^{{{V_D } \over {n \cdot V_T }}} - 1} \right) iD =Is (enk⋅TVD −1)=Is (en⋅VT VD −1)

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。

在 PN Junction Theory for Semiconductor Diodes 中给出了二极管的 I-V 特性曲线：

在 Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction 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 n n n ，这对于提高测量精度有利。

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 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

I C = I s ( e V B E n ⋅ V T − 1 ) I_C = I_s \left( {e^{{{V_{BE} } \over {n \cdot V_T }}} - 1} \right) IC =Is (en⋅VT VBE −1)

V T = k T q V_T = {{kT} \over q} VT =qkT

I C I_C IC ：前向电流

I S I_S IS ：反向饱和电流

V B E V_{BE} VBE ：B-E 前向电压

V T V_T VT ：温度电压

n n n ：理想因子

k k k ：玻尔兹曼常数

在 V B E > > V T V_{BE} > > V_T VBE >>VT 的时候，上述公式中的 − 1 - 1 −1 可以省略： V B E ≈ n ⋅ k T q ln ⁡ ( I C I S ) V_{BE} \approx n \cdot {{kT} \over q}\ln \left( {{{I_C } \over {I_S }}} \right) VBE ≈n⋅qkT ln(IS IC )

则对应的温度： T = q ⋅ V B E n k ⋅ ln ⁡ ( I C I S ) T = q \cdot {{V_{BE} } \over {nk \cdot \ln \left( {{{I_C } \over {I_S }}} \right)}} T=q⋅nk⋅ln(IS IC )VBE

如果使用差分电流，也就是分别测量在 I C 1 , I C 2 I_{C1} ,I_{C2} IC1 ,IC2 两个电流下的对应 V B E 1 , V B E 2 V_{BE1} ,V_{BE2} VBE1 ,VBE2 ，那么可以获得： T = V B E 1 − V B E 2 n k q ln ⁡ ( I C 1 I C 2 ) T = {{V_{BE1} - V_{BE2} } \over {{{nk} \over q}\ln \left( {{{I_{C1} } \over {I_{C2} }}} \right)}} T=qnk ln(IC2 IC1 )VBE1 −VBE2

特别是两个电流呈现比例关系： I C 2 = N ⋅ I C 1 I_{C2} = N \cdot I_{C1} IC2 =N⋅IC1 ，则： T = V B E 1 − V B E 2 n k q ln ⁡ ( 1 N ) T = {{V_{BE1} - V_{BE2} } \over {{{nk} \over q}\ln \left( {{1 \over N}} \right)}} T=qnk ln(N1 )VBE1 −VBE2

在最终的温度计算公式中，二极管的反向饱和电流 I S I_S IS 被消去，就只剩下一个二极管理想因子 n n n 。

2.1 电路布线

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届更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。

■ 相关文献链接:

LINEAR TECHNOLOGY

Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction

LTC2974

LTC3880

LTC3883

2N3906

三极管的耐压与hFE之间是什么关系？

利用二极管的P-N结的I-V特性测量Boltzmann常数

2N2904

Forward and Reverse Bias of a PN Junction (Explained)

PN Junction Theory for Semiconductor Diodes

Measurement of Boltzmanns constant

TIP29

● 相关图表链接:

图1.1.1 PN结的V-I 特性

图1.1.2 二极管 I-V 特性曲线

图1.1.1 三极管的集电极电流反映了PN结电流

图1.1.4 LTSpice 仿真对比了2N3906, 1N4148 PN结 I-V特性曲线

图2.1.1 测量基本原理图

图2.1.2 利用LTC2991读取NPN的PN届温度传感器

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