JP2003108364A - Random number generation circuit - Google Patents

Random number generation circuit

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JP2003108364A
JP2003108364A JP2001294977A JP2001294977A JP2003108364A JP 2003108364 A JP2003108364 A JP 2003108364A JP 2001294977 A JP2001294977 A JP 2001294977A JP 2001294977 A JP2001294977 A JP 2001294977A JP 2003108364 A JP2003108364 A JP 2003108364A
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JP
Japan
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tunnel
random number
noise
current
generation circuit
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Application number
JP2001294977A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinobu Fujita
忍 藤田
Junji Koga
淳二 古賀
Toru Onodera
徹 小野寺
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a random number generation circuit that generates intrinsic random numbers and can be rendered as a small integrated circuit. SOLUTION: The random number generation circuit generates digital random numbers based on a noise acquired from a noise source. If a tunnel element is used as the noise source, a thermal noise and a shot noise can be simultaneously acquired on a high level, accordingly, the size and configuration of an amplifier can be simplified considerably, and random numbers of high genuineness can be generated. In addition, by providing a feedback circuit for automatically holding the output distribution of the noises acquired with the tunnel element constant by feeding a feedback signal to a control terminal that can control the maximum value of the tunnel current, it can be realized to automatically correct the deviation of the distribution of the random numbers to improve the degree of genuineness.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、乱数発生回路に関
し、より詳細には、真性度が高い乱数を発生可能で、し
かも小型軽量な乱数発生回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a random number generation circuit, and more particularly, to a small and lightweight random number generation circuit capable of generating random numbers with high authenticity.

【0002】[0002]

【従来の技術】デジタル乱数は、確率過程を伴う現象の
シミュレーションや、セキュリティーに用いる暗号アル
ゴリズムでの暗号鍵の生成などに用いられる。従来、デ
ジタル乱数としては、CPUで計算によって作られる
「擬似乱数」が用いられてきた。この疑似乱数は、典型
的には、「フィードバックシフトレジスタ」と呼ばれる
論理回路で作られる。
2. Description of the Related Art Digital random numbers are used for simulation of phenomena involving stochastic processes, generation of cryptographic keys in cryptographic algorithms used for security, and the like. Conventionally, as the digital random number, a "pseudo-random number" created by a CPU has been used. This pseudo random number is typically made by a logic circuit called a “feedback shift register”.

【0003】これに対して、素子に発生する雑音を使っ
て乱数を作り出すと、周期性や偏りの無い「真性乱数」
に近いものが得られることが知られており、一部は既に
大型計算機用に実用化されている。
On the other hand, when a random number is generated by using noise generated in an element, it is a "true random number" with no periodicity or bias.
It is known that a product close to the above can be obtained, and some of them have already been put to practical use for large-scale computers.

【0004】図13は、素子に発生する雑音から乱数を
作り出すための回路構成を例示する模式図である。すな
わち、同図に例示した回路の場合、雑音源としての素子
110に一定電流を流して発生する雑音をハイパスフィ
ルター回路に通して、AC成分を取り出す。次に、それ
をアナログ回路112で増幅したのち、A/Dコンバー
タ114によりAD変換してデジタル化する。このと
き、ある値を閾値として、それを越えるものを「1」、
それ以下のものを「0」というようにデジタル化する。
さらに、出てきた乱数列には偏りが生ずるため、それを
デジタル回路116で補正してから用いる。
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration for generating random numbers from noise generated in the element. That is, in the case of the circuit illustrated in the figure, noise generated by causing a constant current to flow through the element 110 as a noise source is passed through a high-pass filter circuit to extract an AC component. Next, after being amplified by the analog circuit 112, it is AD-converted by the A / D converter 114 and digitized. At this time, a certain value is set as a threshold value, and a value exceeding that is set to “1”,
Digits below that are digitized as "0".
Further, since the generated random number sequence is biased, it is used after being corrected by the digital circuit 116.

【0005】雑音源となる素子110には、抵抗やダイ
オードなどが用いられる。雑音としては、白色雑音であ
る熱雑音(ジョンソン雑音)などが用いられる。
A resistor, a diode, or the like is used for the element 110 which is a noise source. Thermal noise (Johnson noise), which is white noise, or the like is used as the noise.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】CPUにより作られる
「擬似乱数」は、初めに与えた数字(種)が同じであれ
ば、同じ乱数を発生させてしまうことや、レジスタの個
数に基づく周期性をもってしまうため、乱数としては適
当でないことが知られている。特に、セキュリティーに
用いる場合には、暗号鍵を破られる危険性を産む原因と
なる。
The "pseudo-random number" created by the CPU generates the same random number if the numbers (seed) given at the beginning are the same, and the periodicity based on the number of registers. Therefore, it is known that it is not suitable as a random number. In particular, when used for security, it causes a risk of breaking the encryption key.

【0007】一方、雑音を増幅するタイプだと、一般的
に抵抗やダイオードの熱雑音やショット雑音は出力が小
さいために、回路の構成が大規模となり、集積化、小型
化が困難である。例えば、通常の抵抗やダイオードにお
ける熱雑音は、ピーク・トゥ・ピークで1マイクロボル
ト程度の微弱な信号であるため、乱数発生用の信号とす
るためには、10倍程度の増幅が必要とされる。しか
し、このような高い増幅率を得るためには、大規模なオ
ペ・アンプが必要とされ、サイズの点でも価格の点で
も、制限が生ずる場合がある。特に、暗号セキュリティ
ー機能を搭載したICカード等に、このような回路を組
み込むことは困難である。
On the other hand, in the case of the type that amplifies noise, the output of thermal noise and shot noise of resistors and diodes is generally small, so that the circuit configuration becomes large in scale, and integration and miniaturization are difficult. For example, thermal noise in a normal resistor or diode is a weak signal of about 1 microvolt peak-to-peak, so that amplification of about 10 6 times is required to generate a signal for random number generation. To be done. However, in order to obtain such a high amplification factor, a large-scale operation amplifier is required, and there are cases where there are restrictions in terms of size and price. In particular, it is difficult to incorporate such a circuit in an IC card equipped with a cryptographic security function.

【0008】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、真性乱数を
発生させ、かつ小型の集積回路化が可能な乱数発生回路
を提供することにある。
The present invention has been made based on the recognition of such a problem. That is, an object thereof is to provide a random number generation circuit that generates a true random number and can be made into a small integrated circuit.

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の乱数発生回路は、雑音源から得られる雑音
をもとにデジタル乱数を生成する乱数発生回路であっ
て、前記雑音源として、トンネル素子を用いたことを特
徴とする。
In order to achieve the above object, a random number generation circuit of the present invention is a random number generation circuit for generating digital random numbers based on noise obtained from a noise source. A tunnel element is used.

【0009】上記構成によれば、熱雑音とショット雑音
とを同時に大きなレベルで得ることができるので、増幅
器のサイズ及び構成を大幅に簡略化でき、しかも真性度
の高い乱数を生成できる。
According to the above structure, thermal noise and shot noise can be obtained at a large level at the same time, so that the size and structure of the amplifier can be greatly simplified, and a random number with high authenticity can be generated.

【0010】または、本発明の乱数発生回路は、トンネ
ル素子と、前記トンネル素子から得られる雑音を増幅す
る増幅手段と、前記増幅手段により増幅されたアナログ
信号をデジタル信号に変換する変換手段と、前記変換手
段により変換された前記デジタル信号の一部を取り出す
デジタル処理手段と、を備えたことを特徴とする。
Alternatively, the random number generating circuit of the present invention comprises a tunnel element, an amplifying means for amplifying noise obtained from the tunnel element, and a converting means for converting an analog signal amplified by the amplifying means into a digital signal. Digital processing means for extracting a part of the digital signal converted by the converting means.

【0011】上記構成によっても、熱雑音とショット雑
音とを同時に大きなレベルで得ることができるので、増
幅器のサイズ及び構成を大幅に簡略化でき、しかも真性
度の高い乱数を生成できる。
Also with the above configuration, thermal noise and shot noise can be obtained at a large level at the same time, so that the size and configuration of the amplifier can be greatly simplified, and a random number with high authenticity can be generated.

【0012】ここで、上記第1及び第2の乱数発生回路
において、前記トンネル素子は、電圧を印加して得られ
る電流に極大値を有する素子であるものとすることによ
り、熱雑音とショット雑音とを同時に大きなレベルで得
ることができる。
Here, in the first and second random number generating circuits, the tunnel element is an element having a maximum value in a current obtained by applying a voltage, whereby thermal noise and shot noise are generated. And can be obtained at a large level at the same time.

【0013】または、前記トンネル素子は、電圧を印加
して得られる電流曲線において上に凸の部分を有する素
子であるものとすることによっても、熱雑音とショット
雑音とを同時に大きなレベルで得ることができる。
Alternatively, the tunnel element is an element having an upwardly convex portion in a current curve obtained by applying a voltage, so that thermal noise and shot noise can be simultaneously obtained at a large level. You can

【0014】また、前記トンネル素子は、流れるトンネ
ル電流の最大値を制御可能な制御端子を有し、前記制御
端子に帰還信号を与えることにより前記トンネル素子か
ら得られる前記雑音の出力分布を自動的に一定に保つた
めの帰還回路をさらに備えたものとすれば、乱数の分布
の「ずれ」を自動的に補正して真性度を上げることがで
きる。
Further, the tunnel element has a control terminal capable of controlling the maximum value of the flowing tunnel current, and by applying a feedback signal to the control terminal, the output distribution of the noise obtained from the tunnel element is automatically determined. If a feedback circuit for keeping constant is further provided, it is possible to automatically correct the “deviation” of the random number distribution and increase the authenticity.

【0015】より具体的には、例えば、前記トンネル素
子は、流れるトンネル電流の最大値を制御可能な制御端
子を有する3端子型の素子であり、前記トンネル素子か
ら得られるアナログ信号を変換して得られたデジタル信
号においてデータ総数に対するピーク数の割合が所定値
よりも大きくなった場合は前記トンネル電流を増やすよ
うに前記制御端子に信号を与え、前記デジタル信号にお
いてデータ総数に対するピーク数の割合が所定値よりも
小さくなった場合は前記トンネル電流を減らすように前
記制御端子に信号を与えるための帰還回路をさらに備え
たものとすることにより、乱数の分布の「ずれ」を自動
的に補正して真性度を上げることができる。
More specifically, for example, the tunnel element is a three-terminal type element having a control terminal capable of controlling the maximum value of a tunneling current flowing, and converts an analog signal obtained from the tunnel element. When the ratio of the number of peaks to the total number of data in the obtained digital signal is larger than a predetermined value, a signal is given to the control terminal to increase the tunnel current, and the ratio of the number of peaks to the total number of data in the digital signal is When it becomes smaller than a predetermined value, a feedback circuit for giving a signal to the control terminal is further provided so as to reduce the tunnel current, thereby automatically correcting the “deviation” of the random number distribution. Can increase the authenticity.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、具体例を参照しつつ本発明
の実施の形態について詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to specific examples.

【0017】図1は、本発明の乱数発生回路の基本構成
を例示する模式図である。すなわち、本発明において
は、雑音源としてトンネル素子10を用いる。このトン
ネル素子10は、後に詳述するように、熱雑音とショッ
ト雑音とを同時に大きくすることができるという特徴を
有する。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the basic configuration of the random number generation circuit of the present invention. That is, in the present invention, the tunnel element 10 is used as a noise source. As will be described later in detail, the tunnel element 10 has a feature that thermal noise and shot noise can be simultaneously increased.

【0018】トンネル素子10から得られた大きなレベ
ルの熱雑音とショット雑音は、ハイパスフィルター回路
においてDC成分をカットされた後、アナログ回路12
で増幅される。トンネル素子10から得られる熱雑音と
ショット雑音のレベルが非常に高いので、アナログ回路
12に高い増幅率は必要とされず、回路を大幅に小型、
簡略化できる。
The high-level thermal noise and shot noise obtained from the tunnel element 10 have their DC components cut off in the high-pass filter circuit, and then the analog circuit 12
Is amplified by. Since the levels of thermal noise and shot noise obtained from the tunnel element 10 are very high, a high amplification factor is not required for the analog circuit 12, and the circuit can be made much smaller.
Can be simplified.

【0019】アナログ回路12により増幅された信号
は、A/Dコンバータ14においてデジタル化される。
すなわち、所定の閾値に対して、それを越えるものを
「1」、それ以下のものを「0」というようにデジタル
化する。さらに、出てきた乱数列には偏りが生ずるた
め、それをデジタル回路16で補正してから乱数として
用いる。
The signal amplified by the analog circuit 12 is digitized in the A / D converter 14.
That is, with respect to the predetermined threshold value, those exceeding the threshold value are digitized, and those below the threshold value are digitized into "0". Further, since the generated random number sequence is biased, it is used as a random number after being corrected by the digital circuit 16.

【0020】ここで、本発明において用いるトンネル素
子10の特徴について説明する前に、まず、熱雑音及び
ショット雑音を生成する素子に関する技術的な背景につ
いて以下に説明する。
Before describing the characteristics of the tunnel element 10 used in the present invention, the technical background of the element for generating thermal noise and shot noise will be described below.

【0021】熱雑音の電圧出力<v>は、以下の式で
与えられる。 <v>= 4kRTΔf ・・・(1) ここで、Δfは帯域を示す。従って、熱雑音は、抵抗R
もしくはコンダクタンスの逆数が大きいほど、単純に大
きくなる。但し、通常は、数メガオームを越える雑音源
に対しては、増幅回路112の入力インピーダンスと同
程度の大きさになるので、増幅が十分なされず、適当で
ない。これらを加味すると、室温で安定して増幅できる
熱雑音<v>は、(1)式より、最大で 1.65×
10−1 Δf(V) 程度に留まる。
The thermal noise voltage output <v 2 > is given by the following equation. <V 2 > = 4kRTΔf (1) Here, Δf represents a band. Therefore, the thermal noise is
Alternatively, the larger the reciprocal of the conductance, the larger simply. However, in general, for a noise source exceeding several mega ohms, since the magnitude is about the same as the input impedance of the amplifier circuit 112, amplification is not sufficient and is not suitable. Taking these into consideration, the thermal noise <v 2 > that can be stably amplified at room temperature is 1.65 × at the maximum from the equation (1).
It remains at about 10 −1 3 Δf (V 2 ).

【0022】また、ショット雑音は、電子もしくは正孔
がエネルギー障壁を乗り越える場合に、発生して以下の
式で与えられる。 <i>= 2eIΔf ・・・(2) 従って、ショット雑音は、単純に電流が大きいほど大き
くなる。但し、電子もしくは正孔がエネルギー障壁を持
つような素子は、本質的に電流量が小さいため、ショッ
ト雑音は余り大きくなりえない。ショット雑音を発生す
る素子にも熱雑音が発生するので、それらを組み合わせ
ると雑音出力が増大する。
Shot noise is generated when electrons or holes cross an energy barrier and is given by the following equation. <I 2 > = 2eIΔf (2) Therefore, the shot noise simply increases as the current increases. However, in an element in which electrons or holes have an energy barrier, the shot noise cannot be so large because the amount of current is essentially small. Since thermal noise is also generated in an element that generates shot noise, combining them increases noise output.

【0023】そのバイアス下での熱雑音成分<v
は、微分抵抗r(ΔV/ΔI)に比例し、次式により与
えられる。 <v>= 4kTrΔf ・・・(3) あるバイアス条件下にある素子において、<v>と<i
>との間には、近似的に以下の関係が成立する。 <v>≒ r<i> ・・・(4) 従って、熱雑音とショット雑音の和を電圧出力で表す
と、次式が得られる。 <i>=(4kTr+2eIr)Δf ・・・(5) ここで、図13に例示したような従来の乱数発生回路に
おいて用いられている一般的なダイオードでは、電流I
と微分抵抗rとは、負の相関を有する。
Thermal noise component <v 2 > under the bias
Is proportional to the differential resistance r (ΔV / ΔI) and is given by the following equation. <V 2 > = 4 kTrΔf (3) In an element under a certain bias condition, <v 2 > and <i
The following relationship is approximately established with 2 >. <V 2 > ≈ r 2 <i 2 > (4) Therefore, when the sum of thermal noise and shot noise is represented by the voltage output, the following equation is obtained. <I 2 > = (4kTr + 2eIr 2 ) Δf (5) Here, in the general diode used in the conventional random number generation circuit as illustrated in FIG.
And the differential resistance r have a negative correlation.

【0024】図2は、図13のような従来の乱数発生回
路において用いられている通常のダイオードの電流電圧
特性を表すグラフ図である。
FIG. 2 is a graph showing the current-voltage characteristics of a normal diode used in the conventional random number generating circuit as shown in FIG.

【0025】同図からも分かるように、順方向にバイア
スされた部分のうちで領域Aにおいては、微分抵抗は比
較的に大きいが、電流が小さい。微分抵抗rが大きい
と、熱雑音は大きくなるが、電流Iが小さいためにショ
ット雑音が小さくなる。
As can be seen from the figure, in the region A of the portion biased in the forward direction, the differential resistance is relatively large, but the current is small. When the differential resistance r is large, the thermal noise is large, but the shot noise is small because the current I is small.

【0026】一方、順方向にバイアスされた領域Bにお
いては、電流は大きいが微分抵抗が小さい。電流が大き
ければショット雑音は大きくなるが、微分抵抗が小さい
ので熱雑音が小さくなってしまう。
On the other hand, in the forward biased region B, the current is large but the differential resistance is small. The shot noise increases as the current increases, but the thermal noise decreases because the differential resistance is small.

【0027】このように、通常のダイオードにおいて
は、熱雑音とショット雑音とを同時に大きくすることは
不可能である。同様の事情は、通常の抵抗素子を雑音源
として用いた場合にもあてはまる。
As described above, in a normal diode, it is impossible to increase the thermal noise and the shot noise at the same time. The same situation applies to the case where a normal resistance element is used as a noise source.

【0028】その結果として、図13に例示したような
従来の雑音源を利用する乱数発生回路においては、雑音
源110から得られる雑音のレベルが小さいために、雑
音を増幅する増幅器112回路部分が大規模になってし
まう。つまり、雑音源からの出力を大きくできれば、雑
音の増幅回路を小型にすることができ、回路全体を小さ
くできる。
As a result, in the conventional random number generating circuit using the noise source as illustrated in FIG. 13, the level of the noise obtained from the noise source 110 is small, so that the amplifier 112 circuit portion for amplifying the noise is provided. It becomes a large scale. That is, if the output from the noise source can be increased, the noise amplification circuit can be downsized and the entire circuit can be downsized.

【0029】これに対して、図1に表したように、本発
明の乱数発生回路では、トンネル素子を雑音源10に用
い、熱雑音とショット雑音を同時に大きくする。トンネ
ル素子10において、熱雑音とショット雑音とを同時に
大きくできる典型例としては、負性抵抗を有する素子で
電圧に対して電流が極大値を持つ動作領域を挙げること
ができる。
On the other hand, as shown in FIG. 1, in the random number generation circuit of the present invention, a tunnel element is used as the noise source 10 to increase thermal noise and shot noise at the same time. In the tunnel element 10, as a typical example in which the thermal noise and the shot noise can be increased at the same time, there is an operating region in which the current has a maximum value with respect to the voltage in the element having the negative resistance.

【0030】図3は、トンネル素子において観察される
負性抵抗を例示した順方向バイアス時の電流電圧特性図
である。
FIG. 3 is a current-voltage characteristic diagram under forward bias illustrating the negative resistance observed in the tunnel element.

【0031】一般的に、負性抵抗を示すトンネル素子の
場合、図3に例示したように、トンネル電流の範囲にお
いて、必ず正の微分抵抗から負の微分抵抗に移り変わる
直前に極大部分Pを有する。微分抵抗の値は、この極大
部分Pにおいて原理的には無限大にまで増大することに
なる。従って、大きな熱雑音が発生する。
Generally, in the case of a tunnel element exhibiting negative resistance, as shown in FIG. 3, in the range of tunnel current, there is always a maximum portion P immediately before the transition from positive differential resistance to negative differential resistance. . In principle, the value of the differential resistance increases to infinity in this maximum portion P. Therefore, large thermal noise is generated.

【0032】同時に、流れる電流がトンネル電流であれ
ば、電流に比例したショット雑音を発生するため、電流
量が大きい極大部分Pにおいては、ショット雑音も大き
くなる。つまり、極大部分P、およびその近傍において
は、熱雑音とショット雑音を同時に大きくすることがで
きる。
At the same time, if the flowing current is a tunnel current, shot noise proportional to the current is generated, so that shot noise also becomes large in the maximum portion P where the amount of current is large. That is, thermal noise and shot noise can be increased at the same time in the maximum portion P and its vicinity.

【0033】また、本発明において用いるトンネル素子
10は、図3に例示したような負性抵抗特性を示すもの
には限定されず、順方向バイアス時の電流電圧特性にお
いて、電流曲線に「上に凸の部分」があればよい。
Further, the tunnel element 10 used in the present invention is not limited to the one exhibiting the negative resistance characteristic as illustrated in FIG. 3, and in the current-voltage characteristic at the time of forward bias, the current curve shows "upper". It is sufficient if there is a "convex part".

【0034】図4は、トンネル素子において得られる電
流電圧特性のもうひとつの具体例を表すグラフ図であ
る。同図に表したトンネル素子においては、順方向のバ
イアス電圧を増加していくと、通常のpn接合順方向電
流成分とトンネル電流成分とが重畳して、電流曲線にお
いて「上に凸の部分」が形成される。この変曲点Pの付
近においては、微分抵抗が極めて高く、且つ電流も比較
的大きい。もちろん、電流電圧曲線の形状だけが重要な
のではなく、トンネル電流が電流成分の大半を占めてい
ることが必要である。ショット雑音は、電子のエネルギ
ー障壁を乗り越えるさいの電子運動のばらつきに起因す
るのであり、通常の抵抗体を流れる電流では、ショット
雑音は生じないからである。
FIG. 4 is a graph showing another specific example of the current-voltage characteristics obtained in the tunnel element. In the tunnel element shown in the figure, when the forward bias voltage is increased, the normal pn junction forward current component and the tunnel current component are superposed, and the “upward convex portion” in the current curve. Is formed. In the vicinity of this inflection point P, the differential resistance is extremely high and the current is relatively large. Of course, not only the shape of the current-voltage curve is important, but it is necessary that the tunnel current occupy most of the current component. This is because shot noise is caused by variations in electron motion when overcoming the energy barrier of electrons, and shot noise does not occur with a current flowing through a normal resistor.

【0035】従って、熱雑音もショット雑音も同時に大
きくするとができる点で、本発明の乱数発生回路におい
てトンネル素子として用いることができる。
Therefore, the thermal noise and the shot noise can be increased at the same time, so that the random number generating circuit of the present invention can be used as a tunnel element.

【0036】一方、図1の回路を用いる場合、トンネル
素子10からの雑音出力が常に一定でないと、乱数の分
布が乱れてしまう。そこで、後に実施例を参照して詳述
するように、乱数の安定性を増すために、3端子型のト
ンネル素子を用いることもできる。この場合、その2端
子間に流れるトンネル電流を第3の端子に印加する電圧
で制御すれば、乱数の分布の「ずれ量」をネガティブフ
ィードバックして、安定化させることができる。
On the other hand, when the circuit of FIG. 1 is used, the random number distribution is disturbed unless the noise output from the tunnel element 10 is always constant. Therefore, as will be described later in detail with reference to the embodiments, a three-terminal tunnel element can be used to increase the stability of random numbers. In this case, if the tunnel current flowing between the two terminals is controlled by the voltage applied to the third terminal, the “deviation amount” of the random number distribution can be negatively fed back and stabilized.

【0037】具体的には、真性乱数は正規分布を示す
が、その分布を回路内でモニターして、所定の分布から
ずれると、ずれに比例した電圧変化をトンネル電流制御
端子に与えれば良い。具体例は、実施例として後に詳述
する。
Specifically, the true random number shows a normal distribution, and if the distribution is monitored in the circuit and deviates from a predetermined distribution, a voltage change proportional to the deviation may be given to the tunnel current control terminal. Specific examples will be described later in detail as examples.

【0038】[0038]

【実施例】以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形
態についてさらに詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described in more detail below with reference to embodiments.

【0039】(第1の実施例)まず、本発明の第1の実
施例として、pn接合型のトンネルダイオードを用いた
乱数発生回路について説明する。
(First Embodiment) First, as a first embodiment of the present invention, a random number generating circuit using a pn junction type tunnel diode will be described.

【0040】図5は、本実施例の乱数発生回路の全体構
成を表す模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the overall configuration of the random number generation circuit of this embodiment.

【0041】同図については、図1と同様の要素には同
一の符号を付して詳細な説明は省略する。
In this figure, elements similar to those in FIG. 1 are assigned the same reference numerals and detailed explanations thereof are omitted.

【0042】図5に表したように、本実施例において
は、雑音源としてトンネルダイオード10Aを用いてい
る。
As shown in FIG. 5, the tunnel diode 10A is used as a noise source in this embodiment.

【0043】図6は、本実施例において用いたトンネル
ダイオード10Aの断面構造を表す模式図である。この
ダイオードは、以下のプロセスにより形成した。
FIG. 6 is a schematic view showing the cross-sectional structure of the tunnel diode 10A used in this embodiment. This diode was formed by the following process.

【0044】シリコン基板32に、まずダイオードを設
ける領域に、レジストでマスクしてボロン(B)を体積
密度1020cm−3程度イオン注入する。次に、再度
レジストでマスクして、ボロンを注入した内側に、リン
(P)を体積密度1020cm−3程度イオン注入す
る。しかる後に、適当な温度でアニールすると、p
領域32と、n型領域34が形成される。それぞれの
表面に、電極36を形成すれば、高濃度ドープのpn接
合型トンネルダイオードが得られる。この電極36、3
6に適当なバイアスを印加すると、トンネル電流が流れ
る。
First, in the silicon substrate 32, boron (B) is ion-implanted at a volume density of about 10 20 cm −3 in a region where a diode is to be provided while masking with a resist. Next, the resist is masked again, and phosphorus (P) is ion-implanted inside the boron-implanted region at a volume density of about 10 20 cm −3 . After that, by annealing at an appropriate temperature, ap + type region 32 and an n + type region 34 are formed. By forming the electrodes 36 on the respective surfaces, a highly doped pn junction type tunnel diode can be obtained. This electrode 36, 3
When a proper bias is applied to 6, a tunnel current flows.

【0045】図7は、このようにして得られたトンネル
ダイオードの典型的な電流・電圧特性を例示するグラフ
図である。
FIG. 7 is a graph showing a typical current-voltage characteristic of the tunnel diode thus obtained.

【0046】この場合、0〜0.3ボルトの領域でトン
ネル電流が流れ、0.05〜0.3ボルトの領域で負性
抵抗が見られる。
In this case, the tunnel current flows in the region of 0 to 0.3 V, and the negative resistance is observed in the region of 0.05 to 0.3 V.

【0047】このトンネルダイオード10Aに任意のバ
イアスを加えると、その点の微分抵抗rに比例して、前
述の(1)式に表したように熱雑音が発生し、同時にト
ンネル電流Iに比例して、(2)に表したようにショッ
ト雑音が発生する。
When an arbitrary bias is applied to the tunnel diode 10A, thermal noise is generated in proportion to the differential resistance r at that point, as expressed in the above equation (1), and at the same time proportional to the tunnel current I. As a result, shot noise is generated as shown in (2).

【0048】微分抵抗は、電流電圧特性が極大部分Pに
なるところで、理論的には無限大となるので、大きな熱
雑音が得られる。また同時に、電流はトンネル電流によ
り流れつづけるので、ショット雑音も大きくなる。つま
り、熱雑音とショット雑音とを同時に大きくすることが
できる。なお、実際には以下に説明するように、微分抵
抗を無限大に近づけ、熱雑音を大きくしたとしても、そ
の大きな雑音出力をそのまま増幅することはできない
が、トンネルダイオード10Aを従来の雑音源よりも大
きな雑音源として利用できる。
The differential resistance theoretically becomes infinite when the current-voltage characteristic reaches the maximum P, so that large thermal noise can be obtained. At the same time, since the current continues to flow due to the tunnel current, shot noise also increases. That is, the thermal noise and the shot noise can be increased at the same time. Actually, as will be described below, even if the differential resistance is brought to infinity and the thermal noise is increased, the large noise output cannot be amplified as it is. Can also be used as a large noise source.

【0049】本実施例においては、乱数発生回路の雑音
源として、トンネルダイオード10Aを使うことで、図
5に表したようにデジタル乱数発生回路を構成すること
ができる。
In this embodiment, by using the tunnel diode 10A as the noise source of the random number generation circuit, the digital random number generation circuit can be constructed as shown in FIG.

【0050】以下、図5の乱数発生回路について説明す
る。
The random number generation circuit of FIG. 5 will be described below.

【0051】まず、トンネルダイオード10Aの出力を
フィルター11に通し、DC成分をカットし、雑音のA
C成分のみにする。次に、オペアンプ12でアナログ増
幅する。この時、オペアンプ12の入力インピーダンス
は通常数MΩ(メガオーム)から数10MΩ程度で、そ
れを超える微分抵抗を示すと、線形的に増幅できず、オ
ペアンプ出力は歪んでしまい、乱数源として利用できな
いので、ダイオードに加えるバイアスは、微分抵抗が数
10MΩ以下になるように回路設計する。バイアスの設
定は、電源とトンネルダイオードの間にある抵抗の大き
さで決める。
First, the output of the tunnel diode 10A is passed through the filter 11, the DC component is cut, and the noise A
Only the C component is used. Next, the operational amplifier 12 performs analog amplification. At this time, the input impedance of the operational amplifier 12 is usually several MΩ (mega ohms) to several tens MΩ, and if the differential resistance exceeds that, it cannot be linearly amplified and the operational amplifier output is distorted and cannot be used as a random number source. The bias applied to the diode is designed so that the differential resistance is several 10 MΩ or less. The bias setting is determined by the size of the resistance between the power supply and the tunnel diode.

【0052】例えば、図7のような電流電圧特性を有す
るトンネルダイオード10Aを使い、順方向に0.04
5ボルトの電圧を加えると、微分抵抗が約1MΩにな
り、トンネル電流は約5μA流れた。この場合、雑音の
電圧出力は、約0.6μV×(Δf)1/2となる。つ
まり、同じ1MΩの抵抗値を持つ通常の抵抗素子と比べ
て、雑音出力は10倍以上となる。そのため、増幅回路
12を構成する回路の大きさを大幅に小さく、または素
子の数を大幅に少なくすることができる。
For example, a tunnel diode 10A having a current-voltage characteristic as shown in FIG.
When a voltage of 5 V was applied, the differential resistance became approximately 1 MΩ and the tunnel current flowed at approximately 5 μA. In this case, the voltage output of noise is about 0.6 μV × (Δf) 1/2 . That is, the noise output is 10 times or more as compared with a normal resistance element having the same resistance value of 1 MΩ. Therefore, the size of the circuit forming the amplifier circuit 12 can be significantly reduced, or the number of elements can be significantly reduced.

【0053】トンネル電流の大きさは、p型領域32
とn型領域34の不純物濃度プロファイルによって決
定される。従って、これらをコントロールして、トンネ
ル電流を増やしたダイオードを作れば、(5)式に従っ
て雑音出力は増大する。
The magnitude of the tunnel current depends on the p + type region 32.
And the impurity concentration profile of the n + type region 34. Therefore, if these are controlled to make a diode with an increased tunnel current, the noise output increases according to the equation (5).

【0054】トンネルダイオード10Aから得られる雑
音信号の変化は、完全にランダムである。従って、アナ
ログ増幅された雑音信号をADコンバータ14でデジタ
ル信号化することで、デジタル乱数が得られるが、その
まま変換するとアナログ信号が正規分布であるので、正
規分布を反映したデジタル信号ができてしまい真の乱数
にはならない。
The change in the noise signal obtained from the tunnel diode 10A is completely random. Therefore, a digital random number is obtained by converting the analog-amplified noise signal into a digital signal by the AD converter 14, but if converted as it is, the analog signal has a normal distribution, so that a digital signal reflecting the normal distribution is formed. It does not become a true random number.

【0055】そこで、Nビットのデジタル乱数を作る場
合、Lビット(ただしL>N)のADコンバータ14を
用いてデジタル化したあと、下位のLビットのみを取り
出して使うなど方法を取るとよい。例えば、8ビットの
ADコンバータ14で、00000000〜11111
111まで正規分布を作り、下位の2ビット00〜11
を2ビットの乱数列として用いる。
Therefore, when creating an N-bit digital random number, it is advisable to adopt a method in which after digitizing using an L-bit (where L> N) AD converter 14, only the lower L bits are taken out and used. For example, with an 8-bit AD converter 14, 00000000-11111
Create a normal distribution up to 111, and the lower 2 bits 00-11
Is used as a 2-bit random number sequence.

【0056】また、トンネルダイオード10Aに加える
バイアスは、微分抵抗が負の領域でも、抵抗の絶対値が
1MΩを超えるような大きな抵抗となる場合には、上記
と同様の効果がある。
Further, the bias applied to the tunnel diode 10A has the same effect as described above when the absolute value of the resistance is a large resistance exceeding 1 MΩ even in the region where the differential resistance is negative.

【0057】また、本実施例におけるトンネルダイオー
ド10Aは、低電圧、低電流で大きな雑音出力が得られ
るので、乱数発生回路の低消費電力を低減できるという
効果も得られる。
Further, since the tunnel diode 10A in this embodiment can obtain a large noise output at a low voltage and a low current, an effect of reducing the low power consumption of the random number generation circuit can also be obtained.

【0058】(第2の実施例)次に、本発明の第2の実
施例として、3端子型のトンネル素子を用いた乱数発生
回路について説明する。すなわち、前述した第1実施例
において用いたトンネルダイオード10Aは、pn接合
を持った2端子素子であり、2端子間のバイアス電圧を
変える以外には、素子の電流値を調整することは困難で
ある。
(Second Embodiment) Next, as a second embodiment of the present invention, a random number generating circuit using a three-terminal tunnel element will be described. That is, the tunnel diode 10A used in the first embodiment described above is a two-terminal element having a pn junction, and it is difficult to adjust the current value of the element other than changing the bias voltage between the two terminals. is there.

【0059】これに対して、表面接合トランジスタ(Su
rface junction transistor:SJT)と称される3端
子素子は、pn接合界面のトンネル絶縁層(反転層)の
厚さを第3の端子(「ゲート電極」と称される)に加え
る電圧を変化させることで、トンネル電流の量を変えら
れる。
On the other hand, the surface junction transistor (Su
A three-terminal element called an rface junction transistor (SJT) changes the voltage applied to the third terminal (called the "gate electrode") by changing the thickness of the tunnel insulating layer (inversion layer) at the pn junction interface. Therefore, the amount of tunnel current can be changed.

【0060】図8は、SJTの要部構成を例示する模式
図である。
FIG. 8 is a schematic view illustrating the configuration of the main part of SJT.

【0061】すなわち、同図のSJTは、シリコン基板
40の上にシリコン酸化膜42を介してn型ソース領
域44、i型チャネル領域46、p型ドレイン領域4
8が形成されている。そして、チャネル領域46の上に
は、ゲート絶縁膜を介してゲート電極50が設けられて
いる。
That is, the SJT shown in the figure has an n + type source region 44, an i type channel region 46, ap + type drain region 4 on a silicon substrate 40 with a silicon oxide film 42 interposed therebetween.
8 is formed. The gate electrode 50 is provided on the channel region 46 with a gate insulating film interposed therebetween.

【0062】ゲート電極50に所定のバイアス電圧を印
加すると、チャネル領域46の表面に電子反転層46A
が形成され、この反転層を介して、ソース・ドレイン間
にp−i−n型ダイオードが形成される。
When a predetermined bias voltage is applied to the gate electrode 50, the electron inversion layer 46A is formed on the surface of the channel region 46.
Is formed, and a pin diode is formed between the source and the drain via the inversion layer.

【0063】図9は、このSJTの電流電圧特性を表す
グラフ図である。
FIG. 9 is a graph showing the current-voltage characteristics of this SJT.

【0064】図6に例示したような2端子素子のトンネ
ルダイオードでは、初期の素子特性が全て同じでない
と、同じ雑音出力は得られない。雑音出力が変化する
と、AD変換後の出力分布が異なってくる。従って、同
じ乱数生成回路を多数作り出すためには、製造過程で精
密な制御が必要である。
In the two-terminal element tunnel diode as illustrated in FIG. 6, the same noise output cannot be obtained unless the initial element characteristics are all the same. When the noise output changes, the output distribution after AD conversion changes. Therefore, in order to create a large number of the same random number generation circuits, precise control is required in the manufacturing process.

【0065】これに対して、SJTを雑音源として利用
した場合には、ゲート電極にAD変換後の出力分布が目
的とする分布からずれた場合に、「ずれ」の量をフィー
ドバックして補正することができる。
On the other hand, when SJT is used as a noise source, when the output distribution after AD conversion on the gate electrode deviates from the desired distribution, the amount of "deviation" is fed back and corrected. be able to.

【0066】図10は、本実施例の乱数発生回路の要部
構成を表す模式図である。同図についても、図1乃至図
9に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を
付して詳細な説明は省略する。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the structure of the main part of the random number generation circuit of this embodiment. Also in this figure, elements similar to those described above with reference to FIGS. 1 to 9 are marked with the same reference numerals and not described in detail.

【0067】以下、この乱数発生回路において8ビット
のAD変換を行う場合を例に挙げて具体的に説明する。
Hereinafter, the case of performing 8-bit AD conversion in this random number generation circuit will be specifically described as an example.

【0068】この回路の場合、SJT10Bの出力電圧
のDC成分をハイパスフィルター11で除いて、AC成
分のみ増幅し、例えば、最大値が1.5ボルト、最小値
が−1.5ボルトで、0ボルトを中心に正規分布するよ
うに設計する。
In the case of this circuit, the DC component of the output voltage of the SJT 10B is removed by the high-pass filter 11 and only the AC component is amplified. For example, the maximum value is 1.5 V, the minimum value is -1.5 V, and 0 Design to have a normal distribution around the bolt.

【0069】このアナログ信号を、AD変換器14によ
りAD変換して2個のデジタル信号に分ける。アナロ
グ信号自体は、原理的に正規分布を崩すことはなく、ま
た、中心点は常に0である。これをデジタル変換する
と、2と2+1に一定のピーク値を持つ正規分布と
なる。
[0069] separating the analog signal, and AD conversion by the AD converter 14 into 2 eight digital signals. The analog signal itself does not break the normal distribution in principle, and the center point is always 0. When this is digitally converted, a normal distribution having constant peak values at 2 7 and 2 7 +1 is obtained.

【0070】デジタルカウンタ16で、これらのピーク
数/総数をカウントしていれば、SJT10Bの雑音出
力の設計値からの「ずれ」を検出できる。ピーク数/総
数が大きくなる場合には、雑音出力が小さくなってい
る。従って、この場合には、帰還回路18において、そ
の「ずれ」の値をコンパレータ等で電圧変換して、SJ
T10Bのゲート電圧に正帰還をかけてやればよい。つ
まり、ゲート電圧を大きくして、トンネル電流を増や
し、正規分布の「ずれ」を補正することができる。
If the digital counter 16 counts the number of peaks / total number, the “deviation” of the noise output of the SJT 10B from the design value can be detected. When the number of peaks / total number increases, the noise output decreases. Therefore, in this case, in the feedback circuit 18, the value of the "deviation" is converted into a voltage by a comparator or the like, and SJ
Positive feedback may be applied to the gate voltage of T10B. That is, it is possible to increase the gate voltage, increase the tunnel current, and correct the “deviation” of the normal distribution.

【0071】帰還回路18は、ピーク数/総数が小さく
なる場合には、逆にトンネル電流を減らす方向のフィー
ドバックをかけることにより、正規分布のずれを補正す
ることができる。
When the number of peaks / total number is small, the feedback circuit 18 can correct the deviation of the normal distribution by applying feedback in the direction of reducing the tunnel current.

【0072】(第3の実施例)次に、本発明の第3の実
施例として、量子井戸型のトンネル素子を用いた乱数発
生回路について説明する。
(Third Embodiment) Next, as a third embodiment of the present invention, a random number generation circuit using a quantum well tunnel element will be described.

【0073】すなわち、前述した第1及び第2実施例に
おいては、単一のエネルギー障壁を透過するトンネル電
流を用いたトンネル素子を用いて乱数発生回路を構成し
た。
That is, in the above-described first and second embodiments, the random number generation circuit is constructed by using the tunnel element using the tunnel current that passes through the single energy barrier.

【0074】これらに対して、「量子井戸」と呼ばれる
2つ以上のエネルギー障壁に囲まれた数ナノメートルの
半導体層には、「量子準位」と呼ばれるエネルギー準位
が形成される。
On the other hand, an energy level called “quantum level” is formed in a semiconductor layer of several nanometers surrounded by two or more energy barriers called “quantum well”.

【0075】図11は、量子井戸構造を例示する概念図
である。
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a quantum well structure.

【0076】同図(a)に表したように、量子井戸構造
においては、エネルギー障壁B1、B2に挟まれた量子
井戸Wに量子準位Q1が形成される。そして、この量子
準位Q1と伝導電子のエネルギーCとが離れていると、
その両端に電流は流れない。
As shown in FIG. 9A, in the quantum well structure, the quantum level Q1 is formed in the quantum well W sandwiched between the energy barriers B1 and B2. When the quantum level Q1 and the energy C of conduction electrons are separated,
No current flows across it.

【0077】しかし、図10(b)に表したように量子
準位Q1と伝導電子のエネルギーCとが近くなるように
AとBとの間に電圧を印加すると、トンネル確率が高く
なりトンネル電流が流れる。
However, as shown in FIG. 10B, when a voltage is applied between A and B so that the quantum level Q1 and the energy C of conduction electrons are close to each other, the tunnel probability increases and the tunnel current increases. Flows.

【0078】さらにAB間の電圧を大きくすると、図1
0(c)に表したように再び量子準位Q1と伝導電子の
エネルギーCとは離れ、トンネル電流は小さくなる。従
って、このような量子井戸構造を有するトンネル素子
は、第1及び第2実施例のトンネル素子と同様に、トン
ネル電流によって負性抵抗を示す。これは、「共鳴トン
ネルダイオード」として知られているものである。
When the voltage between AB is further increased, as shown in FIG.
As shown in 0 (c), the quantum level Q1 and the energy C of the conduction electron are separated again, and the tunnel current becomes small. Therefore, the tunnel element having such a quantum well structure exhibits a negative resistance due to the tunnel current, like the tunnel elements of the first and second embodiments. This is what is known as a "resonant tunnel diode".

【0079】一般的に、共鳴トンネルダイオードにおい
ては、第1及び第2実施例のトンネル素子よりも、大き
なトンネル電流のピークを得やすい。従って、このよう
な共鳴トンネルダイオードを第1実施例と同様の方法で
雑音源として用いることにより、乱数生成回路を作るこ
とができる。
Generally, in the resonant tunnel diode, it is easier to obtain a large peak of the tunnel current than in the tunnel elements of the first and second embodiments. Therefore, by using such a resonant tunneling diode as a noise source in the same manner as in the first embodiment, a random number generation circuit can be made.

【0080】トンネル障壁B1、B2と量子井戸Wは、
SiOとSiの組み合わせ、SiとSiGeの組み合
わせ、AlGaAsとGaAsの組み合わせ、InAl
GaAs もしくはInGaAlPとInPの組み合わ
せなどや、金属と酸化物薄膜からなる量子井戸など種種
の材料の組み合わせが考えられる。
The tunnel barriers B1 and B2 and the quantum well W are
SiO 2 and Si combination, Si and SiGe combination, AlGaAs and GaAs combination, InAl
A combination of GaAs or InGaAlP and InP, a combination of various kinds of materials such as a quantum well formed of a metal and an oxide thin film, and the like can be considered.

【0081】また、図12に例示したように、3つのト
ンネル障壁B1、B2、B3と二つの量子井戸W1、W
2を並べて、量子井戸を構成し、さらにその片方の半導
体層Cにも電極を設けて、そのエネルギーレベルを変え
られるようにすると、トンネル電流のピーク量が可変と
なる3端子素子ができる。これを使って第2実施例と同
様に「ずれ」を補正可能な乱数生成回路を実現すること
もできる。
Further, as illustrated in FIG. 12, three tunnel barriers B1, B2 and B3 and two quantum wells W1 and W are provided.
By arranging 2 to form a quantum well and further providing an electrode also on one of the semiconductor layers C so that the energy level can be changed, a three-terminal element in which the peak amount of the tunnel current is variable can be formed. By using this, it is possible to realize a random number generation circuit capable of correcting the "deviation" as in the second embodiment.

【0082】以上、具体例を例示しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各
具体例に限定されるものではない。
The embodiments of the present invention have been described with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the above specific examples.

【0083】例えば、本発明において用いるトンネル素
子は、上記の具体例に限定されず、その他、当業者が適
宜選択しうる全ての素子を含む。要は、熱雑音とショッ
ト雑音とが同時に高いレベルで得られるように、電流電
圧特性にピークあるいはテラス状の変曲点に類似した部
分を有する素子であれば、本発明において「トンネル素
子」として用いて同様の作用効果を得ることができる。
For example, the tunnel element used in the present invention is not limited to the above specific examples, and includes all elements that can be appropriately selected by those skilled in the art. In short, as long as the thermal noise and the shot noise can be obtained at a high level at the same time, an element having a portion similar to a peak or a terrace-shaped inflection point in the current-voltage characteristics is referred to as a “tunnel element” in the present invention. The same effect can be obtained by using the same.

【0084】また、トンネル素子から得られる雑音を増
幅してデジタル化する方式は、上記の具体例の他にも様
々な方法がある。例えば、特開平3−235007号公
報に記載されているように、正規分布データの最下位の
2ビットを取り出して、任意のビット数のデジタル乱数
を作る方法や、特開2000−66592号公報に記載
されているように増幅した信号をコンパレータで2値化
する方法や、デジタル化した信号を、所望の周期でサン
プリングしてデジタル乱数列とする方法、あるいは、特
開2000−83019号公報に記載されているよう
に、増幅回路を通さずに素子の電圧出力と雑音成分を直
接コンパレータに入力してデジタル化する方法などを、
上記の実施例に適宜、組み合わせて利用するとができ
る。
There are various methods for amplifying the noise obtained from the tunnel element and digitizing it, in addition to the above-mentioned specific examples. For example, as described in JP-A-3-235007, a method of extracting the least significant 2 bits of normal distribution data and creating a digital random number with an arbitrary number of bits, and JP-A-2000-66592. As described, a method of binarizing an amplified signal with a comparator, a method of sampling a digitized signal at a desired cycle to form a digital random number sequence, or a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-83019 As described above, a method of directly inputting the voltage output and noise component of the element to the comparator without passing through the amplifier circuit and digitizing it,
The above embodiments can be appropriately combined and used.

【0085】また、本発明の乱数発生回路によって作ら
れたデジタル乱数は、そのまま使用することもできる
が、フィードバックシフトレジスタの種として用いるこ
とにより、新たな乱数を生成することもできる。
Although the digital random number generated by the random number generating circuit of the present invention can be used as it is, a new random number can be generated by using it as a seed of the feedback shift register.

【0086】[0086]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
雑音源として、トンネル素子を用いることにより、熱雑
音とショット雑音とを同時に大きなレベルで得ることが
できるので、増幅器のサイズ及び構成を大幅に簡略化で
き、しかも真性度の高い乱数を生成できる。
As described in detail above, according to the present invention,
By using a tunnel element as a noise source, thermal noise and shot noise can be obtained at a large level at the same time, so that the size and configuration of the amplifier can be greatly simplified, and a random number with high authenticity can be generated.

【0087】また、本発明によれば、トンネル電流の最
大値を制御可能な制御端子に帰還信号を与えることによ
り前記トンネル素子から得られる前記雑音の出力分布を
自動的に一定に保つための帰還回路を設けることによ
り、乱数の分布の「ずれ」を自動的に補正して真性度を
上げることができる。
Further, according to the present invention, a feedback signal is applied to the control terminal capable of controlling the maximum value of the tunnel current, so that the feedback distribution for automatically keeping the output distribution of the noise obtained from the tunnel element constant. By providing the circuit, it is possible to automatically correct the “deviation” of the random number distribution and increase the authenticity.

【0088】すなわち、本発明によれば、真性度が高い
乱数をコンパクト且つ低価格で実現できるようになり、
例えばICカードなどに応用してセキュリティの確実な
安価なカードシステムを実現できることができる点で産
業上のメリットは多大である。
That is, according to the present invention, it is possible to realize a random number having a high degree of authenticity in a compact size and at a low price.
For example, the industrial advantage is great in that an inexpensive card system with reliable security can be realized by applying it to an IC card or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の乱数発生回路の基本構成を例示する模
式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the basic configuration of a random number generation circuit of the present invention.

【図2】図13のような従来の乱数発生回路において用
いられている通常のダイオードの電流電圧特性を表すグ
ラフ図である。
FIG. 2 is a graph showing current-voltage characteristics of a normal diode used in the conventional random number generation circuit as shown in FIG.

【図3】トンネル素子において観察される負性抵抗を例
示した順方向バイアス時の電流電圧特性図である。
FIG. 3 is a current-voltage characteristic diagram at the time of forward bias illustrating the negative resistance observed in the tunnel element.

【図4】トンネル素子において得られる電流電圧特性の
もうひとつの具体例を表すグラフ図である。
FIG. 4 is a graph showing another specific example of current-voltage characteristics obtained in the tunnel element.

【図5】本発明の実施例の乱数発生回路の全体構成を表
す模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an overall configuration of a random number generation circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例において用いたトンネルダイオ
ード10Aの断面構造を表す模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a tunnel diode 10A used in an example of the present invention.

【図7】本発明の実施例において得られたトンネルダイ
オードの典型的な電流・電圧特性を例示するグラフ図で
ある。
FIG. 7 is a graph illustrating a typical current / voltage characteristic of the tunnel diode obtained in the example of the present invention.

【図8】SJTの要部構成を例示する模式図である。FIG. 8 is a schematic view illustrating the configuration of a main part of SJT.

【図9】SJTの電流電圧特性を表すグラフ図である。FIG. 9 is a graph showing current-voltage characteristics of SJT.

【図10】本発明の実施例の乱数発生回路の要部構成を
表す模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration of a main part of a random number generation circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.

【図11】量子井戸構造を例示する概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a quantum well structure.

【図12】3つのトンネル障壁B1、B2、B3と二つ
の量子井戸W1、W2を並べた量子井戸を表す概念図で
ある。
FIG. 12 is a conceptual diagram showing a quantum well in which three tunnel barriers B1, B2, B3 and two quantum wells W1, W2 are arranged.

【図13】素子に発生する雑音から乱数を作り出すため
の回路構成を例示する模式図である。
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration for generating random numbers from noise generated in an element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、10A、10B トンネル素子 10A トンネルダイオード 11 ハイパスフィルター 12 増幅回路 14 変換器 16 デジタルカウンタ 30 シリコン基板 32 p型領域 34 n型領域 36 電極 40 シリコン基板 42 シリコン酸化膜 44 n型ソース領域 46 i型チャネル領域 46A 電子反転層 48 p型ドレイン領域 50 ゲート電極 110 雑音源 112 増幅器 114 コンバータ 116 デジタル回路 B1、B2 エネルギー障壁 C 半導体層 P 極大部分 Q1 量子準位 W1、W2 量子井戸10, 10A, 10B Tunnel element 10A Tunnel diode 11 High-pass filter 12 Amplifier circuit 14 Converter 16 Digital counter 30 Silicon substrate 32 p + type region 34 n + type region 36 Electrode 40 Silicon substrate 42 Silicon oxide film 44 n + type source region 46 i-type channel region 46A electron inversion layer 48 p + type drain region 50 gate electrode 110 noise source 112 amplifier 114 converter 116 digital circuit B1 and B2 energy barrier C semiconductor layer P maximum part Q1 quantum level W1 and W2 quantum well

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野寺 徹 神奈川県川崎市川崎区浮島町2番1号 株 式会社東芝浜川崎工場内 Fターム(参考) 5J049 AA13 AA20 BB02 CA03 CA09   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Toru Onodera             2-1, Ukishima-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa             Ceremony Company Toshiba Hamakawasaki Factory F term (reference) 5J049 AA13 AA20 BB02 CA03 CA09

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】トンネル素子と、 前記トンネル素子から得られる雑音を増幅する増幅手段
と、 前記増幅手段により増幅されたアナログ信号をデジタル
信号に変換する変換手段と、 前記変換手段により変換された前記デジタル信号の一部
を取り出すデジタル処理手段と、 を備えたことを特徴とする乱数発生回路。
1. A tunnel element, amplification means for amplifying noise obtained from the tunnel element, conversion means for converting an analog signal amplified by the amplification means into a digital signal, and the conversion means converted by the conversion means. A random number generation circuit comprising: a digital processing unit for extracting a part of a digital signal;
【請求項2】前記トンネル素子は、電圧を印加して得ら
れる電流曲線において上に凸の部分を有する素子である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の乱数発生回
路。
2. The random number generating circuit according to claim 1, wherein the tunnel element is an element having an upwardly convex portion in a current curve obtained by applying a voltage.
【請求項3】前記トンネル素子は、流れるトンネル電流
の最大値を制御可能な制御端子を有し、 前記制御端子に帰還信号を与えることにより前記トンネ
ル素子から得られる前記雑音の出力分布を自動的に一定
に保つための帰還回路をさらに備えたことを特徴とする
請求項1または2に記載の乱数発生回路。
3. The tunnel element has a control terminal capable of controlling a maximum value of a flowing tunnel current, and a feedback signal is given to the control terminal to automatically output an output distribution of the noise obtained from the tunnel element. 3. The random number generation circuit according to claim 1, further comprising a feedback circuit for keeping it constant.
【請求項4】前記トンネル素子は、流れるトンネル電流
の最大値を制御可能な制御端子を有する3端子型の素子
であり、 前記トンネル素子から得られるアナログ信号を変換して
得られたデジタル信号においてデータ総数に対するピー
ク数の割合が所定値よりも大きくなった場合は前記トン
ネル電流を増やすように前記制御端子に信号を与え、前
記デジタル信号においてデータ総数に対するピーク数の
割合が所定値よりも小さくなった場合は前記トンネル電
流を減らすように前記制御端子に信号を与えるための帰
還回路をさらに備えたことを特徴とする請求項1または
2に記載の乱数発生回路。
4. The tunnel element is a three-terminal type element having a control terminal capable of controlling the maximum value of a flowing tunnel current, and in a digital signal obtained by converting an analog signal obtained from the tunnel element. When the ratio of the number of peaks to the total number of data becomes larger than a predetermined value, a signal is given to the control terminal to increase the tunnel current, and the ratio of the number of peaks to the total number of data in the digital signal becomes smaller than a predetermined value. 3. The random number generation circuit according to claim 1, further comprising a feedback circuit for applying a signal to the control terminal so as to reduce the tunnel current.
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