DE112014000289T5

DE112014000289T5 - Zufallsgenerierung auf dem Chip

Info

Publication number: DE112014000289T5
Application number: DE112014000289.5T
Authority: DE
Inventors: Kai D. Feng; Ping-Chuan Wang; Zhijian Yang; Emmanuel Yashchin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2015-12-03
Also published as: GB2524429B; US9985615B2; US20170141771A1; US20140197865A1; GB201511989D0; WO2014110007A1; GB2524429A

Abstract

Ein echter Rauschgenerator auf einem Chip, der eine eingebettete Rauschquelle mit einer (bzw. mehreren) Zenerdiode(n) mit niedriger Spannung und hohem Rauschen sowie eine lokale Regelschleifen-Zenerdioden-Stromsteuerschaltung enthält. Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung von stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Diodenstrukturen zum Minimieren der Durchbruchspannung, Erhöhen des Rauschpegels und Verbessern der Zuverlässigkeit vor. Die vorlegende Erfindung schlägt auch eine lokale Regelschleifen-Zenerdioden-Steuerschaltung zum Schützen der Zenerdiode vor einer totalen Überlastung vor.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Zufallszahlengenerierung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Generieren von Zufallsrauschen/Zufallszahlen, die in einen Halbleiter-Chip mit einer verringerten Betriebsspannung eingebettet sind.
Hintergrund der Erfindung
Für eine gute Verschlüsselung sind gute Zufallszahlen erforderlich. Fast alle Verschlüsselungsprotokolle erfordern die Generierung und Verwendung von geheimen Werten, die Angreifern nicht bekannt sein dürfen. Zum Beispiel sind Zufallszahlengeneratoren erforderlich, um öffentliche/private Schlüsselpaare für asymmetrische (öffentlicher Schlüssel) Algorithmen zu erzeugen, darunter RSA, DSA und Diffie-Hellman. Schlüssel für symmetrische und hybride Verschlüsselungssysteme werden ebenfalls nach dem Zufallsprinzip erzeugt. Zufallszahlengeneratoren werden auch zum Erstellen von Risiken, Nonces (Salt-Werten), Auffüll-Bytes und Blindwerten verwendet. Das One-Time-Pad (Einmalverschlüsselung bzw. Einmal-Block) – das einzige nachweisbar sichere Verschlüsselungssystem – verwendet genau so viel Schlüsselmaterial wie Chiffretext und erfordert, dass der Schlüsselstrom aus einem wirklichen Zufallsprozess erzeugt wird.
Das Generieren von echten Zufallszahlen ist für Informationssicherheiten, insbesondere für jüngste Entwicklungen im Cloud Computing, wegen des unvorhersehbaren, für die Verschlüsselungssicherheit-Anwendung geeigneten Musters von immer entscheidenderer Bedeutung geworden. Daher wurden Zufallszahlengeneratoren von großen ortsgebundenen Servern bis hin zu kleinen Mobilgeräten in großem Umfang eingesetzt. Die herkömmlichen Pseudozufallszahlen, die durch Digitalschaltungen generiert werden, entsprechen jedoch den Sicherheitsanforderungen aufgrund der zunehmenden Verfügbarkeit von leistungsstarken Datenverarbeitungssystemen für Entschlüsselungen nicht mehr.
Es ist bekannt, dass eine Zenerdiode oder ein Lawinen-p-n-Übergang im Allgemeinen in diskreten Schaltungen als Quelle für weißes Rauschen verwendet werden. Allerdings müssen mindestens zwei Anforderungen erfüllt werden, damit die Rauschquelle in den integrierten Schaltungen umgesetzt werden kann. Zum einen ist die Durchbruchspannung einer diskreten Zenerdiode ziemlich hoch, typischerweise ungefähr 6 V, womit sie viel höher ist als die maximale Betriebsspannung der modernen Technologien. Wenn die Diode zum anderen im Lawinenmodus nahe an der Durchbruchbedingung betrieben wird, ist die Strom-Spannungs-Kurve sehr steil. Wenn die Spannung zu niedrig ist, schaltet die Diode möglicherweise nicht in den Lawinenmodus. Wenn die Spannung zu hoch ist, wird der Strom sehr groß, und die Diode könnte durch einen Durchbruch beschädigt werden. Obwohl die unmittelbare Lösung für die diskrete Zenerdiode darin besteht, die Diodengröße zu erhöhen, ist dies in integrierten Schaltungen aus Gründen der Parasitärkapazität, die die Schaltungsleistung verschlechtert, aus Kostenüberlegungen und aus Zuverlässigkeitsgründen nicht machbar.
In vorherigen Generatoren für Zufallsrauschen/Zufallszahlen werden die Rauschquellen immer als ein Block dargestellt und erfordern physische Rauschquellen für die Schaltungen. Einige Rauschgeneratoren beruhen auf dem Rauschen auf der Grundlage eines physikalischen Phänomens wie dem thermischen Rauschen von Widerständen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine Zenerdiode aufgrund der physikalischen Natur ihres Lawinen-Phänomens, das nahe an der Durchbruchbedingung liegt, eine sehr starke Rauschquelle ist. Die Zener-Spannung von herkömmlichen Zenerdioden, die für die Generierung von Zufallsrauschen verwendet werden, liegt bei ungefähr 6 V, was die Betriebsspannung von typischen modernen CMOS-Technologien überschreitet, z. B. 1 V–2,5 V. Da Zenerdioden p-n-Übergangsdioden sind, führt eine Anhebung von p-n-Übergangs-Dotierungspegel und Steilheit theoretisch zu niedrigeren Durchbruchspannungen.
Früher wurden Paarschaltungen für Differenzrauschen untersucht, um die allgemeine Ursache für Veränderlichkeit auszuschließen, wie beispielsweise eine Temperaturschwankung, um echte Quellen für weißes Rauschen zu erhalten. Früher verwendete Schaltungen setzen eine Differenzschaltung für zwei Rauschgenerierungsblöcke ein. Sie verwenden jedoch Verstärkerschaltungen in jedem Rauschgenerierungsblock, was das Rauschspektrum aufgrund der begrenzten Bandbreite der Verstärker verzerrt. Weitere Schaltungen benutzen Differenzschaltungen auf zwei Quellen für Zufallsrauschen und verstärken anschließend das daraus resultierende Rauschen auf den Pegel, der für einen Spannungskomparator erforderlich ist. Der Hauptnachteil dieses Ansatzes ist der sehr hohe erforderliche Verstärkungspegel der Verstärkung (mehrere Größenordnungen) und die daraus resultierende Verringerung der Bandbreite des Verstärkers (dies ist zu beachten, weil das Produkt aus der Verstärkung und der Bandbreite eines Verstärkers ungefähr konstant ist). Eine derartige Verringerung von Verstärkerbandbreite erhöht die Signalkorrelation und verringert die Zufälligkeit des generierten Rauschens.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt Lösungen bereit, die eine Rauschgenerierungseinheit (NGU – Noise Generating Unit) enthalten, die eine hoch dotierte Diode aufweist, um eine Oberflächen-Zenerdiode mit niedriger Durchbruchspannung und eine automatische Lawinenstrom-Steuerschleife zu bilden, wobei es der gesamten Rauschquelle ermöglicht wird, eingebettet in und kompatibel mit weiteren Zufallsrauschen-Generatorschaltungen zu sein. Ferner verwendet die vorliegende Erfindung das hohe Rauschsignal der oben genannten NGU und erstellt eine Vorrichtung für stochastische Rauschverstärkung, die Mehrfach-NGU-Strukturen aufweist und fähig ist, nicht nur Auswirkungen von allgemeinen Veränderlichkeitsursachen zu neutralisieren (wie beispielsweise lokale thermische Auswirkungen), sondern auch die Rauschgröße natürlich auf den Pegel zu verstärken, für den nur eine minimale Verstärkung erforderlich ist, wenn überhaupt. Die Vorrichtung für stochastische Rauschverstärkung ermöglicht es, den Ausgangsrauschpegel um einen Faktor von 1,414 (Quadratwurzel von 2) zu verstärken, wenn zwei identische NGUs durch einen Differenzverstärker geführt werden. Wenn der Rauschpegel um mehrere Stufen n verstärkt wird, kann der Rauschpegel um den Faktor 1,414ⁿ verstärkt werden, wobei dieselbe Gesamtverstärkungsgröße beibehalten wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen echten Rauschgenerator bereit, der eine Oberflächen-Zenerdiode mit niedriger Durchbruchspannung, eine automatische Lawinenstrom-Steuerschleife, einen Algorithmus für automatische Spannungsregelung und eine Vorrichtung zum Erhöhen des Rauschpegels um mehrere Differenzverstärkungsstufen enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Auslegen eines echten Rauschgenerators auf einem Chip, der eine eingebettete Rauschquelle mit einer (bzw. mehreren) Zenerdiode(n) mit niedriger Spannung und hohem Rauschen sowie eine lokale Regelschleifen-Zenerdioden-Leistungssteuerschaltung zur Optimierung von Leistung und Zuverlässigkeit enthält. Um die Betriebsspannung so zu verringern, dass sie in der ASIC-Bibliothek verwendet werden kann, schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung von stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Dioden-Strukturen für eine Oberflächen-Zenerdiode vor, die die Durchbruchspannung minimiert, den Rauschpegel erhöht und die Zuverlässigkeit verbessert. Die vorliegende Erfindung schlägt auch eine lokale Regelschleifen-Zenerdioden-Steuerschaltung zur Optimierung von Leistung vor, wobei gleichzeitig die Zenerdiode vor einer totalen Überlastung geschützt wird. Die vorliegende Erfindung schlägt ferner einen Algorithmus oder eine Methode vor, um das Verfahren zum Optimieren zwischen der Rauschgenerierungsleistung und der Zuverlässigkeit der Zenerdiode zu lehren. Ferner schlägt die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung für stochastische Rauschverstärkung vor, um den Rauschpegel zu verstärken und gleichzeitig die Auswirkungen von allgemeinen Veränderlichkeitsursachen zu neutralisieren (wie beispielsweise lokale thermische Auswirkungen).
Die vorliegende Erfindung bildet eine physische Rauschquelle auf einem Chip zur Generierung von Zufallsrauschen, die in alle standardmäßigen CMOS- oder BiCMOS-Schaltungen integriert und in diesen hergestellt werden kann. Ferner bettet die vorliegende Erfindung eine Rauschquelle ein, die Steuer- und Schutzschaltungen besitzt, die einen stabilen Rauschausgang und eine lange Betriebslebensdauer ermöglichen. Die vorliegende Erfindung generiert auch weißes Rauschen direkt von einem Paar von verschiedenen eingebetteten Rauschquellen aus. Des Weiteren generiert die vorliegende Erfindung echtes Zufallsrauschen von mehreren parallelen Paaren für Signal-Rausch-Verstärkung aus.
In einem ersten Aspekt der Erfindung bildet eine Halbleiterstruktur auf dem Chip eine Oberflächen-Zenerdiode mit niedriger Durchbruchspannung mit einer Einzel- oder Mehrfachfinger-Konfiguration als die eingebettete Rauschquelle aus.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung reguliert eine automatische Lawinenstrom-Regelschleife die Versorgungsspannung für die Oberflächen-Zenerdiode mit niedriger Durchbruchspannung zum Optimieren zwischen Rauschgenerierungsleistung und Gerätezuverlässigkeit.
In einem dritten Aspekt der Erfindung führt eine Methode eine Versorgungsspannungsregulierung für eine automatische Lawinenstromsteuerung aus, um die Leistung und Zuverlässigkeit der Rauschgenerierungsquelle zu optimieren.
In einem vierten Aspekt der Erfindung verstärkt eine Vorrichtung für stochastische Rauschverstärkung mit einer paarweise verbundenen Raschgenerierungsquelle den Rauschpegel und neutralisiert gleichzeitig die Auswirkungen von allgemeinen Veränderlichkeitsursachen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale und Elemente der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Ansprüche im Anhang dargelegt und in den Zeichnungen veranschaulicht.
1A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine stark dotierte Polysilicium- und Silicium-p-n-Zenerdiode.
1B veranschaulicht einen Querschnitt einer stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Zenerdiode.
2 veranschaulicht die Spannungskennlinien einer stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Zenerdiode.
3 veranschaulicht ein Blockschaubild einer Rauschgenerierungseinheit oder NGU.
4 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer einstellbaren Spannungsquelle gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht die Schaltung einer Stromsonde gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht einen Strommonitor gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung.
7 veranschaulicht eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung für stochastische Rauschverstärkung zum Verstärken der Rauschquelle gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung.
8 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung für stochastische Rauschverstärkung zum Verstärken der Rauschquelle gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung stellt einen echten Rauschgenerator bereit, der ein unterschiedliches Zenerdiodenpaar und einen stochastischen Rauschverstärker enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft das Auslegen eines echten Rauschgenerators auf einem Chip, der eine eingebettete Rauschquelle mit einer (bzw. mehreren) Zenerdiode(n) mit niedriger Spannung und hohem Rauschen sowie eine lokale Regelschleifen-Zenerdioden-Stromsteuerschaltung enthält. Um die Betriebsspannung so zu verringern, dass sie in der ASIC-Bibliothek verwendet werden kann, schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung von stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Dioden-Strukturen vor, um die Durchbruchspannung zu minimieren, den Rauschpegel zu erhöhen und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Die vorliegende Erfindung schlägt auch eine lokale Regelschleifen-Zenerdioden-Stromsteuerschaltung zum Schützen der Zenerdiode vor einer totalen Überlastung vor.
Die vorliegende Erfindung bildet eine physische Rauschquelle auf einem Chip zur Generierung von Zufallsrauschen, die in alle standardmäßigen CMOS- oder BiCMOS-Schaltungen integriert und in diesen hergestellt werden kann. Ferner bettet die vorliegende Erfindung eine Rauschquelle ein, die Regel- und Schutzschaltungen besitzt, die einen stabilen Rauschausgang und eine lange Betriebslebensdauer ermöglichen. Die vorliegende Erfindung generiert auch weißes Rauschen direkt von einem Paar von verschiedenen eingebetteten Rauschquellen aus. Des Weiteren generiert die vorliegende Erfindung echtes Zufallsrauschen über eine mehrstufige Signal-Rausch-Verstärkung.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsformen sind Veranschaulichungen der Erfindung, die in verschiedenen Formen verkörpert werden kann. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern ist repräsentativ, um einen Fachmann ihre Herstellung und Verwendung zu lehren. Einige Aspekte der Zeichnungen wiederholen sich von einer Zeichnung zur nächsten. Die Aspekte behalten dieselbe Nummerierung von der ersten Nennung durch sämtliche der vorhergehenden Zeichnungen bei.
1A veranschaulicht eine Draufsicht einer stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Zenerdiode 300, die auf einem Substrat 310 hergestellt ist. Die Zenerdiode 300 ist auf einem Substrat 310 ausgebildet und weist eine stark dotierte Siliciumschicht 320 (z. B. stark p-dotiert) mit einer stark dotierten (z. B. stark n-dotiert) Polysiliciumschicht 330 auf, die periodisch auf der Siliciumschicht 320 ausgebildet ist. Die Zenerdiode 300 ist eine Oberflächendiode, von der bekannt ist, dass sie rauschstärker ist als eine typische eingebettete Zenerdiode. Die niedrige Durchbruchspannung des p-n-Übergangs ist auf das stark dotierte Polysilicium zurückzuführen, das in der modernen BiCMOS-Technologie weitverbreitet für den Polysilicium-Emitter von bipolaren Transistoren eingesetzt wird. Die vorgeschlagene Oberflächen-Zenerdiode mit niedriger Durchbruchspannung 300 hat einen p-n-Übergang auf der primären Oberfläche eines p-dotierten Siliciumsubstrats 320, wobei die Diode zwischen einer stark p-dotierten (> 10¹⁸ cm^–3) Siliciumschicht 320 auf der Oberfläche und einer stark n-dotierten (> 10¹⁸ cm^–3) Polysilicium-Komponente 330 auf der Oberfläche der Siliciumschicht 320 ausgebildet ist. Sowohl der p- als auch der n-Bereich sind stark dotiert, um die Durchbruchspannung für die Anwendung zu verringern. Sowohl die Siliciumschicht 320 als auch die stark n-dotierte Polysilicium-(Poly)Schicht 330 haben Silicidkontakte 340.
1B veranschaulicht einen Querschnitt einer stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Zenerdiode 300. Der Querschnitt verläuft zwischen den Abschnitten X und X' in 1A. Wie gezeigt befindet sich die n-dotierte Polysiliciumschicht 330 oberhalb und in Kontakt mit der Siliciumschicht 320. Die Siliciumschicht 320 ist stark mit Material des Typs p dotiert wie beispielsweise Boron (B). Die n-Poly-Schicht 330 ist stark mit Material des Typs n dotiert wie beispielsweise Arsen (As). Um die n-dotierte Poly-Schicht 330 ist ein Abstandhalter 350 angeordnet. Der Abstandhalter 350 kann ein schützender Siliciumoxid- oder Siliciumnitrid-Abstandhalter 350 sein, und er kann so ausgebildet sein, dass er die Seitenwand der erhöhten Polysilicium-Komponente 330 schützt und Rauschen weiter verstärkt. Silicidbereiche (340) (wie Ti-Silicid, Co-Silicid usw.) sind so ausgebildet, dass sie elektrische Kontakte für Anode (+) und Kathode (–) bereitstellen. Zu beachten ist, dass jede diskrete Oberflächen-Zenerdiode ein Paar aus Anode/Kathode aufweist, und dass ebenso eine „Mehrfachfinger”-Struktur mit mehreren diskreten Dioden in Betracht gezogen werden kann, die zusammen ausgebildet sind, um Strom- und Rauschpegel zu verstärken, wie in 1A gezeigt.
2 veranschaulicht die Spannungskennlinien einer stark dotierten Polysilicium- und Silicium-p-n-Zenerdiode. Die y-Achse veranschaulicht den Stromfluss durch die Zenerdiode 300, und die x-Achse veranschaulicht die Spannung an der Zenerdiode 300. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, beträgt der Lawinenbereich der Zenerdiode 300 ungefähr 1,5 Volt, bevor die Durchbruchbedingung erreicht wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Zenerdiode 300 bei einem Betrieb im Lawinenbereich nahe der Durchbruchbedingung bei der Gleichspannung an der Zenerdiode 300 ein Rauschsignal erzeugt. Die Erfinder haben ebenfalls festgestellt, dass die Zenerdiode 300 durch Aufrechterhalten eines Strombereichs im Bereich von 100 bis 300 nA an der Zenerdiode 300 in dem Lawinenbereich bleibt. Wie ersichtlich ist, liegt der Lawinenbereich weit innerhalb der Betriebsspannungen eines modernen Halbleiters.
Das in 3 gezeigte Blockschaltbild veranschaulicht eine Rauschgenerierungseinheit 10 (NGU) einschließlich einer einstellbaren Spannungsquelle 100, einer Stromsonde 200, einer Zenerdiode 300 und eines Strommonitors 400. Die NGU 10 steuert im Betrieb die Spannung an der Zenerdiode 300 und stellt sicher, dass die Zenerdiode 300 nur in dem oben erörterten Lawinenstrombereich eine Vorspannung aufweist. Wenn die Zenerdiode 300 in den Lawinenbereich gebracht wird, bevor der Durchbruch erfolgt, führt die Zenerdiode 300 ein beträchtlich höheres Rauschsignal auf der Spannung ein. Das Regelschleifen-Steuersystem vermeidet den Totalausfall, der normalerweise bei Temperaturanstieg bei einzelnen spannungsgesteuerten Rauschquellen wegen eines möglichen thermischen Durchbruchs zu beobachten ist, wenn das Gerät spannungsgesteuert ist. Die Spannung am Eingang der Zenerdiode wird für einen Kondensator C₁ bereitgestellt, der das Ausgangsrauschsignal Vnoise für die NGU 10 bereitstellt.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der einstellbaren Spannungsquelle 100. Ein Operationsverstärker 110 und Widerstände 106, 108, 112 und 114 bilden einen Spannungsaddierer. Die Widerstände 112 und 114 können denselben Widerstandswert haben und die Widerstände 106 und 108 können denselben Widerstandswert haben, sodass die Ausgangsspannung V_supply = 2·(V₀ + V₁) ist. Dabei ist V₀ eine festgelegte Spannung, die so ausgewählt ist, dass 2V₀ keinen Durchbruch in der Zenerdiode 300 verursacht. V₁ ist eine einstellbare Spannung, die zu dem Strom durch die Zenerdiode 300 in direkter Beziehung steht. V₁ ist die Ausgangsspannung eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) 104. Der Eingang des DAC 104 ist der Ausgang eines Zählers 102; somit wird V₁ durch den Inhalt des Zählers 102 festgelegt. Der Zähler 102 arbeitet im Inkrement- oder Dekrement-Modus, wenn eine ansteigende Flanke eines Low-Pegels auf einen High-Pegel entweder an den INC-Eingang zum Erhöhen oder den DEC-Eingang zum Verringern angelegt wird. Der Inhalt des Zählers 102 wird um eins erhöht, wenn eine ansteigende Flanke eines High-Pegels an den INC-Eingang zum Erhöhen angelegt wird. Wenn eine ansteigende Flanke eines High-Pegels an den DEC-Eingang zum Verringern angelegt wird, wird der Inhalt des Zählers 102 um eins verringert. Der Operationsverstärker 110 sollte die Fähigkeit besitzen, den Lawinenstrom der Zenerdiode 300 anzusteuern. Da ein Lawinenstrom eine ziemlich steile Flanke im Vergleich zu der an die Zenerdiode 300 angelegten Spannung hat, ist V_supply die Summe von V₀ und V₁, um die hohe Einstellauflösung für ein vorgegebenes DAC-Bit zu erreichen und die mögliche Schwingung zu vermeiden. Die Einstellung von V_supply hängt vom realen Gerät ab. Wie veranschaulicht erfolgt der Durchbruch der Zenerdiode bei 1,5 V, wobei der sichere Betriebsbereich zwischen 1,4 V und 1,6 V liegt. Daher kann V₀ auf 0,6 V eingestellt werden, wobei V₁ einen Betriebsbereich zwischen 0,1 V und 0,2 V hat.
In einer weiteren Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, kann eine zusätzliche Eingabe in den Operationsverstärker 110 eine Ausgabe von einer NGU 15 von einer anderen NGU sein. Die NGU 15 ist eine Eingabe in den Operationsverstärker 110 über den Widerstand 116. Das Hinzufügen der Eingabe von der NGU 15 fügt ein Rauschsignal zu V_supply hinzu, das letztendlich zu der Unvorhersehbarkeit des Rauschausgangs der Zenerdiode 300 beiträgt.
Die Schaltung der Stromsonde 200 ist in 5 gezeigt. Zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) 202 und 204 des Typs p bilden einen Stromspiegel, der den Strom der Zenerdiode 300 spiegelt und Strom für den Strommonitor 400 bereitstellt. Ein Widerstand 206 ist die Rauschlast, die von der Zenerdiode 300 generiert wird. Ein Anschluss a ist mit der Zenerdiode 300 verbunden, und ein Anschluss b ist mit dem Strommonitor 400 verbunden.
Der Strommonitor 400 wird in 6 gezeigt, wobei ein Operationsverstärker 404 und ein Widerstand 402 einen Transimpedanzverstärker bilden, der den Eingangsstrom in die Ausgangsspannung V₂ umwandelt. V_b ist die positive Eingangsvorspannung, die eine positive Ausgangsvorspannung V₂ einstellt. Die Ausgangsspannung V₂ nimmt mit zunehmendem Senkenstrom von der Stromsonde 200 ab. Spannungskomparatoren 406 und 408 haben vordefinierte Schwellenspannungen V_th1 und V_th2 und erhalten V₂ ebenfalls als Eingang. UND-Schaltungen 410 und 412 empfangen jeweils Ausgänge c und d von den Spannungskomparatoren 406 und 408. V_th1 ist die entsprechende Schwellenspannung des oberen Grenzwerts des Lawinenstroms. Wenn der Lawinenstrom erhöht wird, wird die Ausgangsspannung V₂ des Transimpedanzverstärkers niedriger als V_th1, und der Ausgang des Spannungskomparators 406 wird ein High-Pegel. Demzufolge gibt die UND-Schaltung 410 den Taktimpuls p- zum Verringern der Spannung V_supply aus, um die Zenerdiode 300 vor Schaden zu schützen. V_th2 ist die entsprechende Schwellenspannung des unteren Grenzwerts des Lawinenstroms, wenn der Lawinenstrom verringert wird, V₂ wird höher als V_th2. Der Ausgang des Spannungskomparators 408 wird zu einem High-Pegel, und die UND-Schaltung 412 gibt zum Erhöhen der Spannung V_supply den Taktimpuls p+ aus, um die Zenerdiode 300 innerhalb der Lawinenbedingung zu halten. Wenn V₂ zwischen V_th1 und V_th2 liegt, ist von keiner der UND-Schaltungen 410 oder 412 ein Impuls vorhanden, und somit bleibt V_supply unverändert. Vb wird für gewöhnlich als der halbe Wert der Versorgungsspannung von 404, 406, 408 gewählt. Der Betrieb des Strommonitors 400 wird in der folgenden Tabelle 1 gezeigt: V_th1 < V_th2

1. Fall: V₁ < V_th1 → c = H → p– → V_supply verringern
2. Fall: V₁ > V_th2 → d = H → p+ → V_supply erhöhen
3. Fall: V_th1 < V₁ < V_th2 → c = L & d = L → V_supply ohne Änderung

Tabelle 1
7 veranschaulicht eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 700 für stochastische Rauschverstärkung zum Verstärken der Rauschquelle gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 700 für stochastische Rauschverstärkung empfängt eine Eingabe von den beiden NGUs 10 und 20. Die beiden Eingaben werden für einen Operationsverstärker 710 bereitgestellt. Die NGU 10 kann eine Eingabe in den positiven Eingang des Operationsverstärkers 710 sein. Die NGU 20 kann eine Eingabe in den negativen Eingang des Operationsverstärkers 710 sein. Das aus dieser einstufigen Differenzverstärkung resultierende Rauschsignal ist noch nichtdeterministischer, sporadischer und kategorisch nicht intermittierend (d. h. zufällig).). Die Erfinder haben ermittelt, dass die Addition von zwei NGU-Signalen die Zufälligkeit des Signals um den Faktor der Quadratwurzel von 2 (√2 = 1,414) erhöht hat.
8 veranschaulicht eine dreistufige Differenzverstärkung als Beispiel für eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 800 für stochastische Rauschverstärkung zur weiteren Verstärkung der Rauschquelle gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung. Die Eingaben in die Vorrichtung 800 sind acht NGU-Eingaben von NGUs 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 und 80. Die NGU 10 kann eine Eingabe in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 810 sein. Die NGU 20 kann eine Eingabe in den negativen Eingang des Operationsverstärkers 810 sein. Die NGU 30 kann eine Eingabe in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 820 sein. Die NGU 40 kann eine Eingabe in den negativen Eingang des Operationsverstärkers 820 sein. Die NGU 50 kann eine Eingabe in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 830 sein. Die NGU 60 kann eine Eingabe in den negativen Eingang des Operationsverstärkers 830 sein. Die NGU 70 kann eine Eingabe in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 840 sein. Die NGU 80 kann eine Eingabe in den negativen Eingang des Operationsverstärkers 840 sein.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 810 kann eine Eingabe in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 850 sein. Der Ausgang des Operationsverstärkers 820 kann eine Eingabe in den negativen Eingang eines Operationsverstärkers 850 sein. Der Ausgang des Operationsverstärkers 830 kann eine Eingabe in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 860 sein. Der Ausgang des Operationsverstärkers 840 kann eine Eingabe in den negativen Eingang des Operationsverstärkers 860 sein. Der Ausgang des Operationsverstärkers 850 kann eine Eingabe in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 870 sein. Der Ausgang des Operationsverstärkers 860 kann eine Eingabe in den negativen Eingang des Operationsverstärkers 870 sein. Schließlich verkörpert der Ausgang des Verstärkers 870 das Rauschsignal von jeder der NGU-Eingaben. Das aus dieser beispielhaften dreistufigen Differenzverstärkung resultierende Rauschsignal wird um einen Faktor 2,8 ((√2)³ = 1,414³) im Vergleich mit dem Rauschsignal durch eine einzelne NGU verstärkt, und die Leistung des Rauschsignals wird um einen Faktor 8 (2³) gegenüber dem einer einzelnen NGU verstärkt. Ferner kann diese Ausführungsform so verallgemeinert werden, dass sie eine N-stufige Differenzverstärkung enthält, wobei das aus einer N-stufigen Differenzverstärkung resultierende Rauschsignal um einen Faktor (√2)^N = 1,414^N verstärkt wird im Vergleich mit einer einzelnen NGU, und seine Leistung um einen Faktor 2^N verstärkt wird.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zweck der Veranschaulichung erstellt, sie sollen aber keineswegs erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt sein. Für Fachleute sind viele Modifizierungen und Variationen offenkundig, die nicht von dem Schutzbereich und dem Erfindungsgedanken der beschrieben Ausführungsformen abweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, der praktischen Anwendung oder technischen Verbesserung gegenüber auf dem Markt gefundenen Technologien bestmöglich zu erklären oder anderen Fachleuten das Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen zu ermöglichen.

Claims

Vorrichtung, aufweisend: eine Zenerdiode, die auf einem Substrat angeordnet ist; eine Spannungsquelle, die auf dem Substrat angeordnet ist, um eine Versorgungsspannung für die Zenerdiode bereitzustellen; und einen Strommonitor, der auf dem Substrat angeordnet ist, um den Strom durch die Zenerdiode zu überwachen und die von der Spannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung anzupassen, um die Zenerdiode in der Lawinenzone nahe an der Durchbruchbedingung zu halten, wobei die Zenerdiode einen zufälligen Rauschausgang bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Stromsonde aufweist, wobei die Stromsonde die Versorgungsspannung empfängt und eine Spannung für die Zenerdiode bereitstellt, wobei die Stromsonde eine Stromspiegelung des Stroms durch die Zenerdiode an den Strommonitor bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zenerdiode eine stark dotierte p-n-Übergangs-Zenerdiode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsquelle einen Zähler und einen Digital-Analog-Wandler aufweist, wobei der Digital-Analog-Wandler eine Schwellenspannung für einen Verstärker bereitstellt, wobei der Verstärker die Versorgungsspannung bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Zenerdiode eine Mehrfachfinger-Struktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lawinenzone bei ungefähr 1,5 V liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Strommonitor einen Transimpedanzverstärker aufweist, um den Strom von der Stromsonde zu überwachen und eine Ausgangsspannung bereitzustellen, wobei der Strommonitor ein Inkrementsignal an die Spannungsquelle bereitstellt, wenn die Ausgangsspannung unter einem ersten Schwellenwert liegt, und ein Dekrementsignal an die Spannungsquelle, wenn die Ausgangsspannung über einem zweiten Schwellenwert liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Rauschsignal für den Verstärker in der Spannungsquelle bereitgestellt wird.
Vorrichtung, aufweisend: eine erste und eine zweite Rauschgenerierungseinheit; und einen einstufigen stochastischen Differenzverstärker, wobei die erste Rauschgenerierungseinheit eine Eingabe in einen negativen Eingang des Verstärkers ist und die zweite Rauschgenerierungseinheit eine Eingabe in den positiven Eingang des Verstärkers ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jede der Rauschgenerierungseinheiten aufweist: eine Zenerdiode, die auf einem Substrat angeordnet ist; eine Spannungsquelle, die auf dem Substrat angeordnet ist, um eine Versorgungsspannung für die Zenerdiode bereitzustellen; und einen Strommonitor, der auf dem Substrat angeordnet ist, um den Strom durch die Zenerdiode zu überwachen und die von der Spannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung einzustellen, um die Zenerdiode in der Lawinenzone zu halten, wobei die Zenerdiode einen zufälligen Rauschausgang bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Zenerdiode eine stark dotierte p-n-Übergangs-Zenerdiode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Spannungsquelle einen Zähler und einen Digital-Analog-Wandler aufweist, wobei der Digital-Analog-Wandler eine Schwellenspannung für einen Verstärker bereitstellt, wobei der Verstärker die Versorgungsspannung bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Zenerdiode eine Mehrfachfinger-Struktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Lawinenzone bei ungefähr 1,5 V liegt.
Vorrichtung, aufweisend: eine Vielzahl von Rauschgenerierungseinheit-Paaren, wobei jedes Paar von Rauschgenerierungseinheiten eine erste und eine zweite Rauschgenerierungseinheit hat; einen ersten Satz von einstufigen stochastischen Differenzverstärkern, wobei jedes der Rauschgenerierungseinheit-Paare eine Eingabe in einen der einstufigen stochastischen Differenzverstärker des ersten Satzes ist, wobei die erste Rauschgenerierungseinheit eine Eingabe in einen negativen Eingang von einem der einstufigen stochastischen Differenzverstärker des ersten Satzes ist und die zweite Rauschgenerierungseinheit eine Eingabe in den positiven Eingang von einem der einstufigen stochastischen Differenzverstärker des ersten Satzes ist; und mindestens einen zweiten einstufigen stochastischen Differenzverstärker, der eine Eingabe von zwei der einstufigen stochastischen Differenzverstärker des ersten Satzes empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei jede der Rauschgenerierungseinheiten aufweist: eine Zenerdiode, die auf einem Substrat angeordnet ist; eine Spannungsquelle, die auf dem Substrat angeordnet ist, um eine Versorgungsspannung für die Zenerdiode bereitzustellen; und einen Strommonitor, der auf dem Substrat angeordnet ist, um den Strom durch die Zenerdiode zu überwachen und die von der Spannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung einzustellen, um die Zenerdiode in der Lawinenzone zu halten, wobei die Zenerdiode einen zufälligen Rauschausgang bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Zenerdiode eine stark dotierte p-n-Übergangs-Zenerdiode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Spannungsquelle einen Zähler und einen Digital-Analog-Wandler aufweist, wobei der Digital-Analog-Wandler eine Schwellenspannung für einen Verstärker bereitstellt, wobei der Verstärker die Versorgungsspannung bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Zenerdiode eine Mehrfachfinger-Struktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Lawinenzone bei ungefähr 1,5 V liegt.