PNP，NPN型三极管的PN结测量温度解决方案
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。
01 理论基础
1.1 相关芯片
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？
（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：
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：
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：
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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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？
（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：
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：
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：
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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