如何利用PN结来测量温度？

Posted 2022-02-23 卓晴

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了如何利用PN结来测量温度？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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

§01 理论基础

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？

（1）为什么使用三极管?

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：

$i_D = I_s \\left( e^V_D \\over nk \\cdot T - 1 \\right) = I_s \\left( e^V_D \\over n \\cdot V_T - 1 \\right)$

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 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 作者D.E Evans展示了使用普通的设备在 TIP29 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 $V_cb = 0$ 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 $I_C$ 正好反映了 PN 结电流的内容。