DE112020001000T5

DE112020001000T5 - Cmos-kompatibler zufallszahlengenerator mit hoher geschwindigkeit und geringer leistungsaufnahme

Info

Publication number: DE112020001000T5
Application number: DE112020001000.7T
Authority: DE
Inventors: Bahman Hekmatshoartabari; Ghavam Shahidi
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-12-09
Also published as: CN113692571A; WO2020229996A1; US11132177B2; JP2022532601A; US20200364032A1; JP7482903B2

Abstract

Es werden ein CMOS-kompatibler Zufallszahlengenerator mit hoher Geschwindigkeit und geringer Leistungsaufnahme und Techniken für dessen Verwendung bereitgestellt. In einem Aspekt umfasst ein Zufallszahlengenerator Folgendes: eine Rauschverstärkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein verstärktes Rauschsignal erzeugt, wobei die Rauschverstärkungseinheit Rauschverstärkungseinheitstransistoren mit einer Schwellenspannung (Vt,amp) von etwa 0 aufweist; und eine Datenverarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal von der Rauschverstärkungseinheit verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit Absolutwerten einer Vt,computeaufweist, die größer sind als die Vt,ampder Rauschverstärkungseinheitstransistoren in der Rauschverstärkungseinheit. Bei digitalen Umsetzungen kann ein Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden, der so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal digitalisiert. Bei analogen Umsetzungen kann eine Abtast- und Halteschaltung eingesetzt werden, die so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal abtastet. Ein Verfahren zur Erzeugung von Zufallszahlen wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung von Zufallszahlen und insbesondere einen mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) kompatiblen Zufallszahlengenerator mit hoher Geschwindigkeit und geringer Leistungsaufnahme sowie dessen Verwendung zur Erzeugung von Zufallszahlen.
Hintergrund der Erfindung
Die Erzeugung von Zufallszahlen ist ein wichtiges Element sicherer Systeme und wird häufig bei der Verschlüsselung und sicheren Datenübertragung verwendet. Zum Beispiel können eindeutige Zufallsschlüssel erzeugt und zwischen einem Host und einem Benutzer übertragen werden, die grundsätzlich von anderen Hosts und Benutzern nicht decodiert werden können, wenn sie auf der Grundlage von echten Zufallszahlen erzeugt werden (und nicht auf Pseudozufallszahlen, die durch mathematische Algorithmen erzeugt werden). Zufallszahlen sind auch für stochastische Berechnungen von Interesse.
Physische Quellen einer zufälligen Fluktuation weisen jedoch allgemein eine oder mehrere der folgenden Einschränkungen auf: (i) sie erfordern hohe Leistungen zum Erzeugen, z.B. Schrotrauschen einer Avalanche-Diode, (ii) sie erfordern hohe Leistungen zum Verstärken, z.B. thermisches Rauschen eines Widerstands, (iii) sie sind nicht mit Halbleitertechnologie kompatibel, z.B. Schrotrauschen einer Vakuumröhre. Die elektrische Leistungsaufnahme ist ein wichtiger Faktor bei vielen Anwendungen, bei denen das System bereits durch Batterieleistung für Berechnungen und Signalübertragung beschränkt ist.
Zum Beispiel können Halbleitereinheiten wie zum Beispiel Avalanche-Dioden (und in geringerem Maße auch Zener-Dioden) ein erhebliches Schrotrauschen erzeugen, erfordern aber eine hohe Vorspannung und/oder einen hohen Strom für den Betrieb in diesem Bereich. Derartige Einheiten (z.B. umgekehrt vorgespannte Basis-Emitter-Übergänge bipolarer Transistoren) wurden bereits als Rauschquelle zur Erzeugung von Zufallszahlen verwendet. Allerdings ist die benötigte Leistung zu hoch für Anwendungen wie zum Beispiel ein Internet-der-Dinge (loT, Internet-of-Things), die starke Einschränkungen bezüglich der elektrischen Leistungsaufnahme aufweisen.
Daher wären Techniken zur Erzeugung von Zufallszahlen mit geringer Leistungsaufnahme und hoher Geschwindigkeit wünschenswert.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Zufallszahlengenerator bereit, der Folgendes aufweist:

Rauschverstärkungseinheitstransistoren mit einer Schwellenspannung (V_t,amp) von etwa 0; und eine Datenverarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal von der Rauschverstärkungseinheit verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren in der Rauschverstärkungseinheit.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Zufallszahlen bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen eines verstärkten Rauschsignals unter Verwendung einer Rauschverstärkungseinheit, die Rauschverstärkungseinheitstransistoren mit einer V_t,amp von etwa 0 aufweist; und Verarbeiten des verstärkten Rauschsignals von der Rauschverstärkungseinheit unter Verwendung einer Datenverarbeitungseinheit, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Zufallszahlengenerator bereit, der Folgendes aufweist: eine Rauschverstärkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein verstärktes Rauschsignal erzeugt, wobei die Rauschverstärkungseinheit mindestens einen Lasttransistor und mindestens einen Verstärkungstransistor mit einer V_t,amp von etwa 0 aufweist; und eine Datenverarbeitungseinheit, die einen Analog-Digital-Wandler und einen Digitalprozessor aufweist, wobei der Analog-Digital-Wandler so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal digitalisiert, wobei der Digitalprozessor so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal, das durch den Analog-Digital-Wandler digitalisiert wurde, verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, und wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp des mindestens einen Lasttransistors und des mindestens einen Verstärkungstransistors.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Zufallszahlengenerator bereit, der Folgendes aufweist: eine Rauschverstärkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein verstärktes Rauschsignal erzeugt, wobei die Rauschverstärkungseinheit mindestens einen Lasttransistor und mindestens einen Verstärkungstransistor mit einer V_t,amp von etwa 0 aufweist; und eine Datenverarbeitungseinheit, die eine Abtast- und Halteschaltung und einen Komparator aufweist, wobei die Abtast- und Halteschaltung so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal abtastet, wobei der Komparator so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal, das von der Abtast- und Halteschaltung abgetastet wird, mit einer Referenzspannung (V_ref) vergleicht, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, und wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp des mindestens einen Lasttransistors und des mindestens einen Verstärkungstransistors.
Die vorliegende Erfindung stellt einen mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) kompatiblen Zufallszahlengenerator mit hoher Geschwindigkeit und geringer Leistungsaufnahme sowie dessen Verwendung zur Erzeugung von Zufallszahlen bereit.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Zufallszahlengenerator bereitgestellt. Der Zufallszahlengenerator umfasst Folgendes: eine Rauschverstärkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein verstärktes Rauschsignal erzeugt, wobei die Rauschverstärkungseinheit Rauschverstärkungseinheitstransistoren mit einer Schwellenspannung (V_t,amp) von etwa 0 aufweist; und eine Datenverarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal von der Rauschverstärkungseinheit verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren in der Rauschverstärkungseinheit.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein anderer Zufallszahlengenerator bereitgestellt. Der Zufallszahlengenerator umfasst Folgendes: eine Rauschverstärkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein verstärktes Rauschsignal erzeugt, wobei die Rauschverstärkungseinheit mindestens einen Lasttransistor und mindestens einen Verstärkungstransistor mit einer V_t,amp von etwa 0 umfasst; und eine Datenverarbeitungseinheit mit einem Analog-Digital-Wandler und einem Digitalprozessor, wobei der Analog-Digital-Wandler so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal digitalisiert, wobei der Digitalprozessor so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal, das durch den Analog-Digital-Wandler digitalisiert wurde, verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, und wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute umfasst, die größer sind als die V_t,amp des mindestens einen Lasttransistors und des mindestens einen Verstärkungstransistors.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein noch anderer Zufallszahlengenerator bereitgestellt. Der Zufallszahlengenerator umfasst Folgendes: eine Rauschverstärkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein verstärktes Rauschsignal erzeugt, wobei die Rauschverstärkungseinheit mindestens einen Lasttransistor und mindestens einen Verstärkungstransistor mit einer V_t,amp von etwa 0 umfasst; und eine Datenverarbeitungseinheit mit einer Abtast- und Halteschaltung und einem Komparator, wobei die Abtast- und Halteschaltung so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal abtastet, wobei der Komparator so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal, das von der Abtast- und Halteschaltung abgetastet wird, mit einer Referenzspannung (V_ref) vergleicht, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, und wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute umfasst, die größer sind als die V_t,amp des mindestens einen Lasttransistors und des mindestens einen Verstärkungstransistors.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von Zufallszahlen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Folgendes: Erzeugen eines verstärkten Rauschsignals unter Verwendung einer Rauschverstärkungseinheit, die Rauschverstärkungseinheitstransistoren mit einer V_t,amp von etwa 0 aufweist; und Verarbeiten des verstärkten Rauschsignals von der Rauschverstärkungseinheit unter Verwendung einer Datenverarbeitungseinheit, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren.
Man erhält ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und erfährt weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, wie in den folgenden Figuren veranschaulicht ist:

1 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte digitale Umsetzung des vorliegenden Zufallszahlengenerators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte analoge Umsetzung des vorliegenden Zufallszahlengenerators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Abtast- und Halteschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 zeigt ein Schaubild, das einen beispielhaften Komparator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 zeigt ein Schaubild, das ein beispielhaftes System zum Kalibrieren einer Referenzspannung (Vref) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6 zeigt ein Schaubild, das ein beispielhaftes System zum Erzeugen von V_ref gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7 zeigt ein Schaubild, das einen beispielhaften Fin-Feldeffekttransistor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
8 zeigt ein Schaubild, das eine Querschnittsansicht des FinFET aus 7 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9 zeigt ein Querschnittsschaubild, das einen beispielhaften planaren FET gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
10 zeigt ein Querschnittsschaubild, das veranschaulicht, wie Lötkontakthügel-Bonden verwendet wurde, um einen Chip, der die Datenverarbeitungseinheit enthält, mit einem Chip zu verbinden, der die Rauschverstärkungseinheit enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt ein Querschnittsschaubild, das eine beispielhafte Rauschverstärkerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
12 zeigt ein Querschnittsschaubild, das eine beispielhafte Rauschverstärkerschaltung mit mindestens einem abgeänderten Lasttransistor und mindestens einem abgeänderten Verstärkungstransistor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
13 zeigt ein Querschnittsschaubild, das eine Rauschverstärkerschaltung einer N-ten Stufe einer mehrstufigen Ausführung eines Rauschverstärkers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
14 zeigt ein Querschnittsschaubild, das eine beispielhafte N-stufige Rauschverstärkerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
15 zeigt ein Querschnittsschaubild, das eine beispielhafte N-stufige Rauschverstärkerschaltung mit einem Vorspannungstransistor (M_bias) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
16 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Methodik für eine Erzeugung von Zufallszahlen unter Verwendung des vorliegenden Zufallszahlengenerators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
17 zeigt ein Diagramm, das veranschaulicht, wie die Transistoren der Rauschverstärkungseinheit bei einer Gate-Source-Spannung von Null vorgespannt werden können und in einem Unterschwellenbereich arbeiten, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 zeigt ein beispielhaftes Simulationsdiagramm, das die simulierten Ausgänge der verschiedenen Stufen einer beispielhaften Rauschverstärkungseinheit mit hoher Geschwindigkeit und geringer Leistungsaufnahme gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
19 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Vorrichtung zum Umsetzen der hierin vorgestellten Techniken gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
20 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Methodik für ein gemeinsames Herstellen der Rauschverstärkungseinheit monolithisch mit der Datenverarbeitungseinheit durch selektive Abänderung der Gate-Elektroden-Arbeitsfunktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
21 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Methodik für ein gemeinsames Herstellen der Rauschverstärkungseinheit monolithisch mit der Datenverarbeitungseinheit durch selektive Abänderung der Substratdotierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
22 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Methodik für ein gemeinsames Herstellen der Rauschverstärkungseinheit monolithisch mit der Datenverarbeitungseinheit durch selektive Abänderung der SOI-Substratdicke unter Verwendung von Epitaxiewachstum zum selektiven Erhöhen der SOI-Substratdicke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
23 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Methodik für ein gemeinsames Herstellen der Rauschverstärkungseinheit monolithisch mit der Datenverarbeitungseinheit durch selektive Abänderung der SOI-Substratdicke unter Verwendung eines Ätzens zum selektiven Verringern der SOI-Substratdicke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Wie vorstehend angeführt, können Festkörper-Einheiten wie zum Beispiel Avalanche-Dioden und Zener-Dioden als Rauschquelle für die Erzeugung von Zufallszahlen verwendet werden. Allerdings benötigen diese Einheiten für den Betrieb eine hohe Vorspannung und/oder einen hohen Strom und sind daher für Anwendungen mit extrem geringer Leistungsaufnahme wie zum Beispiel das loT nicht geeignet.
Wird dagegen eine schwache Rauschquelle verwendet, so ist zur Verstärkung ein Verstärker mit hoher Verstärkung erforderlich. Verstärker mit hoher Verstärkung erfordern Kaskadierung (daher höherer Strom aufgrund mehrerer Stufen), Kaskodierung (daher höhere Spannung, um sicherzustellen, dass Transistoren in Sättigung bleiben) oder beides. Von daher erfordern Verstärker mit hoher Verstärkung Leistungen, die auch für Anwendungen mit extrem geringer Leistungsaufnahme wie zum Beispiel das loT noch zu hoch sind.
Vorteilhafterweise wird hierin ein CMOS-kompatibler Zufallszahlengenerator mit hoher Geschwindigkeit und geringer Leistungsaufnahme und Techniken für dessen Verwendung bei der Erzeugung von Zufallszahlen bereitgestellt. Bei dem vorliegenden Zufallszahlengenerator handelt es sich um ein Hybridsystem, das eine Datenverarbeitungseinheit und eine Rauschverstärkungseinheit mit hoher Geschwindigkeit und geringer Leistungsaufnahme umfasst. Vorzugsweise weist die Rauschverstärkungseinheit eine Betriebsfrequenz von über 100 Megahertz (MHz) und eine elektrische Leistungsaufnahme von unter 10 Mikrowatt (µW) auf. Zum Beispiel hat die Rauschverstärkungseinheit in einer beispielhaften Ausführungsform eine Betriebsfrequenz von etwa 500 MHz und eine elektrische Leistungsaufnahme von etwa 1 µW. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, umfasst die Datenverarbeitungseinheit Standard-Normally-OFF-Transistoren (in Anreicherungsbetriebsart), die als Standard-Digital-, -Analog- und -Mischsignalschaltungen konfiguriert sind. Normally-OFF-Transistoren haben Schwellenspannungen mit absoluten positiven Werten (d.h. positive Schwellenspannungswerte für n-Kanal-Transistoren und negative Schwellenspannungswerte für p-Kanal-Transistoren). Die Rauschverstärkungseinheit mit hoher Geschwindigkeit und geringer Leistungsaufnahme umfasst Transistoren mit Schwellenspannungen (V_t) von etwa Null und ist als Verstärkerschaltungen für die Verstärkung des von Transistoren und dem Widerstandsvorspannungsnetz erzeugten Rauschens konfiguriert. Zur Verdeutlichung wird die Schwellenspannung der Datenverarbeitungseinheitstransistoren hierin auch als V_t,compute bezeichnet, und die Schwellenspannung der Rauschverstärkungseinheitstransistoren wird hierin auch als V_t,amp bezeichnet.
Jede Verstärkerschaltung umfasst mindestens einen Verstärkungstransistor und einen Lasttransistor. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, sind in einer beispielhaften Ausführungsform die Verstärkungstransistoren und die Lasttransistoren bei einer Gate-Source-Spannung von Null vorgespannt und arbeiten in einem Unterschwellenbereich. Das von der Verstärkerschaltung erzeugte verstärkte Rauschen wird dann von der Datenverarbeitungseinheit verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen.
Eine Übersicht über den vorliegenden Zufallszahlengenerator wird in 1 und 2 bereitgestellt. Zum Beispiel ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine digitale Umsetzung des Zufallszahlengenerators als System 100 in 1 gezeigt. Wie in 1 gezeigt ist, wird das von dem Rauschverstärker 102 (innerhalb der Rauschverstärkungseinheit) verstärkte Rauschen unter Verwendung eines Analog-Digital-(A/D-) Wandlers 104 digitalisiert. Ein Digitalprozessor 106 (innerhalb der Datenverarbeitungseinheit) wird dann dazu verwendet, das digitalisierte Rauschsignal zu verarbeiten, um Zufallszahlen zu erzeugen. Wenn zum Beispiel, und lediglich beispielhaft, das verstärkte Rauschsignal einen positiven Wert aufweist, kann dies eine logische ,1' registrieren, und wenn es einen negativen Wert aufweist, kann dies eine logische ,0' registrieren, oder umgekehrt. Siehe auch nachstehend beschriebene 18. In einigen Ausführungsformen ist der Digitalprozessor 106 ein anwendungsspezifischer Prozessor, der speziell für die Aufgabe des Erzeugens von Zufallszahlen vorgesehen ist. In anderen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Digitalprozessor 106 um einen Universalprozessor wie zum Beispiel eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), die zusätzlich zum Erzeugen von Zufallszahlen verschiedene Datenverarbeitungsaufgaben durchführt. Die Rauschverstärkungseinheit kann weitere Komponenten wie zum Beispiel Batterien, Spannungsregler und/oder Rauschabschirmungen umfassen, wie sie allgemein in Verbindung mit analogen Verstärkerschaltungen verwendet werden. Die Datenverarbeitungseinheit kann verschiedene andere Komponenten eines größeren Datenverarbeitungssystems umfassen oder mit ihnen zusammenarbeiten (siehe z.B. nachstehend beschriebene 19).
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist eine analoge Umsetzung des vorliegenden Zufallszahlengenerators als System 200 in 2 gezeigt. Wie in 2 gezeigt ist, wird das von dem Rauschverstärker 202 (d.h. der Rauschverstärkungseinheit) verstärkte Rauschsignal unter Verwendung einer Abtast- und Halte- (S&H-) Schaltung 204 abgetastet. Ein Komparator 206 (innerhalb der Datenverarbeitungseinheit) vergleicht das verstärkte Rauschsignal mit einer Referenzspannung (V_ref), um Zufallszahlen zu erzeugen. Wenn zum Beispiel, und lediglich beispielhaft, das verstärkte Rauschsignal größer oder gleich V_ref ist, kann dies eine logische ,1' registrieren, und wenn das verstärkte Rauschsignal kleiner als V_ref ist, kann dies eine logische ,0' registrieren, oder umgekehrt. Wenn zum Beispiel, und lediglich beispielhaft, die Drain-Drain-Versorgungsspannung Vdd = 1 V und die Source-Source-Versorgungsspannung Vss = 0 V zum Vorspannen des Rauschverstärkers 202 verwendet wird, kann V_ref als V_ref = Vdd/2 = 0,5 V gewählt werden (siehe z.B. nachstehend beschriebene 18). Die Referenzspannung V_ref kann durch Mittelwertbildung kalibriert werden, d.h. durch Prüfen des Gleichspannungspegels an dem Ausgang des Rauschverstärkers, z.B. unter Verwendung eines Tiefpassfilters (siehe unten). In einigen Ausführungsformen sind die S&H-Schaltung 204 und die Komparatorschaltung 206 Teil eines analogen oder gemischten Signalprozessors, der als integrierte Schaltung hergestellt und in einem größeren Datenverarbeitungssystem eingesetzt wird (siehe z.B. nachstehend beschriebene 19).
Eine beispielhafte Abtast- und Halte (S&H-) Schaltung 300, die gemäß den vorliegenden Techniken eingesetzt werden kann, ist in 3 gezeigt. Bei der Abtast- und Halteschaltung 300 handelt es sich um eine analoge Einheit, die das sich ständig ändernde Rauschsignal (Eingehendes Signal) abtastet und dessen Wert auf einem konstanten Pegel hält (Ausgang (Gehaltener Wert)).
Ein beispielhafter Komparator 400, der gemäß den vorliegenden Techniken eingesetzt werden kann, ist in 4 gezeigt. Wenn V_IN > V_REF1, dann ist V_OUT = + V_c, und wenn V_IN< V_REF, dann ist V_OUT = -V_C. Um die elektrische Leistungsaufnahme weiter zu verringern, kann die Stromversorgung des Rauschverstärkers 202, des Komparators 400 und der S&H-Schaltung 300 bis zum gewünschten Startzeitpunkt der Schlüsselerzeugung unterbrochen werden.
Wie vorstehend angeführt, kann V_ref durch Mittelwertbildung des Ausgangs des Rauschverstärkers 502 kalibriert werden. Siehe zum Beispiel 5. Wie in 5 gezeigt ist, wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Gleichspannungspegelausgang des Rauschverstärkers 502 unter Verwendung eines Tiefpassfilters 506 gemittelt, um V_ref zu erzeugen. Ein Spannungspuffer 504 kann eingesetzt werden, um zu verhindern, dass das Signal durch den von der Last aufgenommenen Strom beeinflusst wird.
Die Mittelwertbildung des Ausgangs des Rauschverstärkers 502 kann fortlaufend durchgeführt werden, um V_ref zu erzeugen. Siehe 6. Wie in 6 gezeigt ist, wird der Ausgang des Rauschverstärkers 502 einem Spannungspuffer 602 zugeführt, der einen Operationsverstärker (OP-AMP) mit einer Faktor-1-Rückkopplungsschleife umfasst. An dem Ausgang des Spannungspuffers 602 befinden sich ein Widerstand R und ein Kondensator C, die somit ein passives (RC-) Tiefpassfilter bilden. Alternativ kann der Ausgang des Rauschverstärkers 502 vor dem Beginn einer Zufallssequenz, z.B. der Schlüsselerzeugung, über eine gewünschte Zeitspanne gemittelt werden. In einigen Ausführungsformen kann das passive RC-Tiefpassfilter durch ein aktives Tiefpassfilter ersetzt werden. Wenn ein derartiges aktives Tiefpassfilter eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, kann der Spannungspuffer weggelassen werden.
Transistoren: wie vorstehend hervorgehoben, umfasst die Datenverarbeitungseinheit Standard-Normally-OFF-Transistoren (in Anreicherungsbetriebsart), die als Standard-Digital-, -Analog- und -Mischsignalschaltungen konfiguriert sind. ,Normally-OFF' bedeutet, dass die Transistoren in der Datenverarbeitungseinheit Schwellenspannungen mit positiven Absolutwerten aufweisen (d.h. positiv für n-Kanal-Transistoren und negativ für p-Kanal-Transistoren).
Andererseits umfasst die Rauschverstärkungseinheit, wie vorstehend hervorgehoben, Transistoren mit Schwellenspannungen (Vt) von etwa Null, d. h. V_t,amp. Lediglich beispielhaft: eine V_t,amp von etwa Null kann 0 ± 0,3 Volt (V) betragen, d. h. V_t,amp beträgt zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und umfasst Bereiche dazwischen. Im Allgemeinen umfasst jeder Transistor eine Source und einen Drain, die durch einen Kanal miteinander verbunden sind. Ein Gate reguliert den Fluss von Elektronen durch den Kanal.
Für Feldeffekttransistor- (FET-) Einheiten gilt V_t ≈V_FB + 2φ_F + Q_B/C_ox, wobei V_FB die Flachbandspannung, φ_F das Fermi-Potenzial des Halbleiterkanalmaterials in Bezug auf das intrinsische Fermi-Niveau, Q_B die Verarmungszonenladung in dem Kanal unter dem Gate und C_ox die dielektrische Kapazität pro Flächeneinheit des Gates ist. Darüber hinaus ist V_FB = φ_MS - Q_ox/C_ox, φ_F = -V_th In(N_D/n_i) für n-Typ-Kanaldotierung und φ_F = V_th In(N_A/n_i) für p-Typ-Kanaldotierung, φ_MS ist die Arbeitsfunktionsdifferenz zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal-Halbleitermaterial, Q_ox ist eine dem Gate-Dielektrikum zugehörige äquivalente Ladung (einschließlich fester Ladung und Grenzflächenladung), Vth ist die thermische Spannung (etwa 26 mV bei Raumtemperatur), N_D ist die Konzentration der n-Typ-Dotierung (Akzeptoren) in dem Halbleiterkanalmaterial, N_A ist die Konzentration der p-Typ-Dotierung (Donatoren) in dem Halbleiterkanal, n_i ist die intrinsische Ladungsträgerkonzentration in dem Halbleiterkanalmaterial, und φ_MS = φ_M - φ_s, wobei φ_M die Arbeitsfunktion der Gate-Elektrode und φ_S die Arbeitsfunktion des Halbleiterkanalmaterials ist, gegeben durch φ_S= X + E_g/2q + φ_F, wobei X die Elektronenaffinität des Halbleiterkanalmaterials, Eg die Bandlücke des Halbleiterkanalmaterials und q die Elektronenladung ist. Für Bulk-Substrat-Transistoren und teilweise verarmte Silizium-auf-Isolator- (SOI-) Transistoren, bei denen die Verarmungsbereichsbreite W_D kleiner ist als die Dicke der SOI-Schicht t_channel (d. h., W_D < tchannel), Q_B = -qN_DW_D für n-Typ-Kanaldotierung und Q_B = qN_AW_D für p-Typ-Kanaldotierung, wobei W_D = [-2ε_s.2φ_F/qN_D]^1/2für n-Typ-Kanaldotierung und W_D = [2ε_s.2φ_F/qN_A ^1/2für p-Typ-Kanaldotierung, wobei ε_s die Dielektrizitätskonstante des Halbleiterkanalmaterials ist. Bei Transistoren mit vollständig verarmtem Kanal ist Q_B = -qN_D t_channel für n-Typ-Kanaldotierung und Q_B = qN_At_channel für p-Typ-Kanaldotierung.
Deshalb kann V_t durch Abstimmen der vorstehend beschriebenen Parameter während des Herstellungsprozesses angepasst werden, insbesondere der Substratdotierung N_A oder N_D, der dielektrischen Kapazität C_ox, der Arbeitsfunktion φ_M der Gate-Elektrode, der SOI-Dicke t_channel (gilt für vollständig verarmtes SOI) und Kombinationen davon. Zusätzlich kann V_t nach dem Herstellungsprozess durch Anlegen einer Vorspannung V_B an den Körper von Bulk-Transistoren oder das Trägersubstrat von SOI-Transistoren verändert werden. Bei Bulk-Transistoren beträgt die resultierende V_t-Verschiebung ungefähr [2ε_sqN_A (-V_B)] ^1/2/C_ox für p-Typ-Kanaldotierung und -[2ε_sqN_D (V_B)]^1/2/C_ox für n-Typ-Kanaldotierung. Bei vollständig verarmten SOI-Transistoren beträgt die V_t-Verschiebung ungefähr -V_BC_box/C_ox (unter der Annahme keiner oder geringer Kanaldotierung, dünnem SOI und/oder rückseitiger Kanalinversion), wobei C_box die dielektrische Kapazität des vergrabenen Isolators ist. Auch wenn die vorstehenden Gleichungen als Richtschnur bereitgestellt werden, sei angemerkt, dass es sich um Näherungswerte mit endlichen Gültigkeitsbereichen handelt, die bei Bedarf mit Einheitsmodellen höherer Ordnung, numerischen Simulationen und/oder Experimenten zur Feinabstimmung kombiniert werden können, wie es nach dem Stand der Technik allgemein bekannt ist.
Ein beispielhafter FinFET 700 ist in 7 gezeigt. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, können die vorliegenden Techniken unter Verwendung planarer und nicht-planarer Transistorstrukturen (z.B. FinFET) in Verbindung mit Bulk- oder Silizium-auf-Isolator- (SOI-) Wafer-Technologie umgesetzt werden. Folglich dient die Darstellung einer FinFET-Einheit in 7 lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung und soll die vorliegenden Lehren nicht auf einen bestimmten Typ von Transistorstruktur beschränken.
Wie in 7 gezeigt, sind eine Source und ein Drain durch mindestens einen (in diesem Fall „lamellenförmigen“ („fin-shaped“)) Kanal miteinander verbunden. Über den Lamellen befindet sich eine Gate-Elektrode. Die Gate-Elektrode ist gegenüber Source und Drain durch Gate-Abstandshalter versetzt. In diesem Beispiel wird der FinFET 700 auf einem SOI-Wafer ausgebildet. Im Allgemeinen umfasst ein SOI-Wafer eine SOI-Schicht, die von einem darunter liegenden Substrat durch einen vergrabenen Isolator getrennt ist. Wenn es sich bei dem vergrabenen Isolator um ein Oxid handelt, wird er hierin auch als vergrabenes Oxid oder BOX (buried oxide) bezeichnet. Die Lamellen sind in der SOI-Schicht strukturiert.
Wie vorstehend erläutert wurde, werden die in der Datenverarbeitungseinheit verwendeten Transistoren unter Verwendung von Parametern mit Standardwerten hergestellt, die zu absoluten positiven V_t-Werten von V_t,compute führen. Ein Einstellen der V_t der Transistoren für die Rauschverstärkungseinheit auf Werte von V_t,amp von etwa Null kann auf verschiedene Art und Weise vorgenommen werden. Zum Beispiel handelt es sich in einer beispielhaften Ausführungsform bei den Transistoren um High-_K/Metall-Gate-Elektroden-Transistoren wie zum Beispiel FinFETs (Bulk- oder Silizium-auf-Isolator- (SOI-) Transistoren), vollständig verarmte SOI- (FDSOI-) Transistoren und/oder teilweise verarmte SOI- (PDSOI-) Transistoren, bei denen ein High-κ-Gate-Dielektrikum die Metall-Gate-Elektrode von dem Kanal trennt. Der Begriff „High-κ“ bezieht sich auf ein Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante κ, die viel höher ist als die von Siliziumdioxid (z.B. eine Dielektrizitätskonstante κ = 25 für Hafniumoxid (HfO₂) statt 4 für SiO₂). In diesem Fall kann eine Metall-Gate-Elektrode mit einer niedrigeren/höheren Arbeitsfunktion (im Vergleich zu derjenigen, die für die Transistoren in der Datenverarbeitungseinheit verwendet wird) für die n-Kanal/p-Kanal-High-κ/Metall-Gate-Transistoren verwendet werden, um eine V_t,amp von etwa Null zu erreichen. Siehe zum Beispiel 8.
8 ist ein Querschnitt entlang einer Linie A-A' des FinFET 700 (siehe 7). Wiederum ist die Darstellung einer FinFET-Architektur ein nicht einschränkendes Beispiel, das lediglich zur Veranschaulichung der vorliegenden Techniken bereitgestellt wird. Wie in 8 gezeigt ist, trennt ein Gate-Dielektrikum die Lamellen/Kanäle von der Gate-Elektrode. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei der Gate-Elektrode um ein Metall-Gate und bei dem Gate-Dielektrikum um ein High-κ-Gate-Dielektrikum. In diesem Fall kann ein Gate-Elektrodenmetall mit einer im Vergleich zu derjenigen, die für die Datenverarbeitungseinheit verwendet wird, niedrigeren/höheren Arbeitsfunktion für die n-Kanal/p-Kanal-High-κ/Metall-Gate-Transistoren verwendet werden, um eine V_t,amp von etwa Null zu erreichen. Wenn zum Beispiel, und lediglich beispielhaft, die gewünschte V_t-Verringerung für die n-Kanal-Transistoren in der Rauschverstärkungseinheit im Vergleich zu den in der Datenverarbeitungseinheit verwendeten n-Kanal-Transistoren 0,3 V beträgt, kann für die n-Kanal-Transistoren in der Rauschverstärkungseinheit ein Gate-Elektrodenmetall verwendet werden, dessen Arbeitsfunktion um 0,3 Elektronenvolt (eV) niedriger ist als die für die n-Kanal-Transistoren in der Datenverarbeitungseinheit verwendete.
Zu geeigneten Gate-Elektrodenmetallen zum Einstellen einer n-Typ-Arbeitsfunktion gehören Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN) und/oder aluminium- (AI-) haltige Legierungen wie zum Beispiel Titanaluminid (TiAl), Titanaluminiumnitrid (TiAIN), Titanaluminiumcarbid (TiAIC), Tantalaluminid (TaAI), Tantalaluminiumnitrid (TaAlN) und/oder Tantalaluminiumcarbid (TaAIC), ohne darauf beschränkt zu sein. Zu geeigneten Gate-Elektrodenmetallen zum Einstellen einer p-Typ-Arbeitsfunktion gehören TiN, TaN und Wolfram (W), ohne darauf beschränkt zu sein. TiN und TaN sind relativ dick (z.B. mehr als 2 nm), wenn sie als Metalle zum Einstellen einer p-Typ-Arbeitsfunktion verwendet werden. Jedoch können auch sehr dünne TiN- oder TaN-Schichten (z.B. weniger als ca. 2 nm) unter Alhaltigen Legierungen in n-Typ-Arbeitsfunktionsstapeln verwendet werden, um elektrische Eigenschaften wie zum Beispiel Gate-Leckströme zu verbessern. Es gibt also einige Überschneidungen bei den vorstehend angeführten beispielhaften Metallen zum Einstellen von n- und p-Typ-Arbeitsfunktionen. Geeignete High-κ-Gate-Dielektrika umfassen HfO₂ und/oder Lanthanoxid (La₂O₃), sind aber nicht darauf beschränkt.
Lediglich beispielhaft kann die Arbeitsfunktion für einen Transistor mit High-κ/Metall-Gate beruhend auf der bestimmten Art/Menge des Gate-Elektrodenmetalls zum Einstellen einer Arbeitsfunktion oder Kombinationen der eingesetzten Metalle erhöht/verringert werden. Zum Beispiel erhöht ein Aufbringen einer etwa 10 nm dicken TaN-Kappe auf ein etwa 3,6 nm dickes TiN-Gate die effektive Arbeitsfunktion (EWF, effective work-function) des Gates von etwa 4,3 Elektronenvolt (eV) auf etwa 4,8 eV, während eine TiN-Kappe derselben Dicke auf dem TiN-Gate die EWF lediglich auf etwa 4,6 eV erhöht. Siehe zum Beispiel K. Choi et al., „The Effect of Metal Thickness, Overlayer and High-k Surface Treatment on the Effective Work Function of Metal Electrode", Berichte der 35. European Solid-State Device Research Conference, 2005 (ESSDERC 2005), S. 101 bis 104 (September 2005).
Alternativ sind die in dem Rauschverstärker verwendeten Transistoren gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform teilweise verarmt (PD) und so eingestellt, dass sie Schwellenspannungen, V_t,amp, von etwa Null aufweisen, indem eine niedrigere Dotierungskonzentration des Kanals im Vergleich zu der für die Transistoren in der Datenverarbeitungseinheit verwendeten verwendet wird. Zu geeigneten n-Typ-Dotierstoffen gehören Phosphor (P) und/oder Arsen (As), ohne darauf beschränkt zu sein. Zu geeigneten p-Typ-Dotierstoffen gehört Bor (B), ohne darauf beschränkt zu sein. Diese Transistoren können in planarer Bulk- oder PDSOI-Wafer-Technologie umgesetzt werden. Siehe z.B. 9.
9 ist ein Querschnittsschaubild eines planaren FET 900, der gemäß den vorliegenden Techniken eingesetzt werden kann. Wiederum ist die Darstellung dieser bestimmten FET-Architektur ein nicht einschränkendes Beispiel, das lediglich zur Veranschaulichung der vorliegenden Techniken bereitgestellt wird. Wie in 9 gezeigt ist, ist der Kanal, der die Source und den Drain miteinander verbindet, teilweise verarmt. Die Dotierungskonzentration des teilweise verarmten Kanals kann im Vergleich zu der in der Datenverarbeitungseinheit verwendeten verringert werden, um eine V_t,amp von etwa Null zu erreichen (gegenüber V_t,compute für die Datenverarbeitungseinheit). Wie vorstehend erläutert, ist die gewünschte V_t-Verringerung, ΔV_t, z.B. für n-Kanal-Transistoren gegeben durch ΔV_t = V_t,amp -V_t,compute = φ_F,amp - φ_F,compute + (Q_B,amp - Q_B,compute) /C_ox= Vth In(N_A,amp/N_A,compute) + 2(ε_sqV_th)^1/2 {[N_A,amp In(N_A,amp/n_i)]^1/2_ [N_A,compute In(N_A,compute/n_i)]^1/2}/C_ox, wobei sich die Indizes „compute“ und „amp“ auf die Werte in der Datenverarbeitungseinheit bzw. der Rauschverstärkungseinheit beziehen. Das erforderliche N_A,amp für die gewünschte ΔV_t kann durch numerisches Lösen der vorstehenden Gleichung bestimmt werden.
Gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei den in dem Rauschverstärker verwendeten Transistoren um PDSOI-Transistoren, die durch Verringern der Kanaldicke T_CHANNEL so abgeändert werden, dass sie Schwellenspannungen, V_t,amp, von etwa Null aufweisen (siehe 9). PDSOI-Transistoren haben häufig eine Kanaldicke von etwa 50 Nanometern (nm) bis etwa 100 nm. Somit beträgt die T_CHANNEL des PDSOI-Transistors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zwischen etwa 20 nm und etwa 50 nm und umfasst Bereiche dazwischen. Wie vorstehend erläutert, ist die gewünschte ΔV_t z.B. für n-Kanal-Transistoren gegeben durch ΔV_t = V_t, amp^- V_t,compute= (Q_B,amp-Q_B,compute)/C_ox = (qN_At_channel,amp- qN_At_{channel,compute})/C_ox = qN_AΔt_channel/C_ox , wobei sich die Indizes „amp“ und „compute“ auf die Werte in der Datenverarbeitungseinheit bzw. der Rauschverstärkungseinheit beziehen. Daher kann die Kanaldicke um Δt_channel = ΔV_t C_ox/qN_A verringert werden, um die gewünschte ΔV_t zu erhalten.
In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform werden die V_t der in der Rauschverstärkungseinheit verwendeten Transistoren so eingestellt, dass sie bei etwa Null liegen, indem eine entgegengesetzte Kanaldotierung im Vergleich zu derjenigen verwendet wird, die für Transistoren mit dem gleichen Kanaltyp in Anreicherungsbetriebsart in der Datenverarbeitungseinheit verwendet wird, wodurch Transistoren in Verarmungsbetriebsart in der Rauschverstärkungseinheit entstehen. Man beachte, dass sich der Kanaltyp (n-Kanal oder p-Kanal) auf die Art von Ladungsträgern (Elektronen bzw. Löcher) bezieht, die für die Leitung in dem Kanal verantwortlich sind, während sich die Kanaldotierung (n-Typ oder p-Typ) auf die Art der Dotierstoffe (Donatoren bzw. Akzeptoren) in dem Kanal bezieht. Zum Beispiel ist ein Transistor in Anreicherungsbetriebsart mit p-Typ-Kanaldotierung ein n-Kanal-Transistor, während ein Transistor in Verarmungsbetriebsart mit p-Typ-Kanaldotierung ein p-Kanal-Transistor ist.
In einem nicht einschränkenden Beispiel wird für den Kanal eines Transistors in Anreicherungsbetriebsart ein Dotierstoff mit entgegengesetzter Polarität (n- oder p-Typ-Dotierstoff) verwendet, im Gegensatz zu dem für dessen Source und Drain in der Datenverarbeitungseinheit verwendeten Dotierstoff, während für den Kanal eines Transistors in Verarmungsbetriebsart ein Dotierstoff mit derselben Polarität (n- oder p-Typ-Dotierstoff) verwendet wird wie der Dotierstoff, der für dessen Source und Drain in der Rauschverstärkungseinheit verwendet wird. Zum Beispiel ist in diesem Beispiel, wenn Source und Drain eines Transistors in Anreicherungsbetriebsart mit einem n-Typ-Dotierstoff dotiert sind, sein Kanal mit einem p-Typ-Dotierstoff dotiert und umgekehrt, während, wenn Source und Drain eines Transistors in Verarmungsbetriebsart mit einem n-Typ-Dotierstoff dotiert sind, sein Kanal ebenfalls mit einem n-Typ-Dotierstoff dotiert ist und umgekehrt. Die Kanaldotierungskonzentration der Transistoren in Verarmungsbetriebsart in der Rauschverstärkungseinheit wird so gewählt, dass sich eine Schwellenspannung von etwa Null ergibt, d.h., V_t,amp ≈ φ_M - χ - E_g/2q + [2ε_sqN_AV_th In(N_A/n_i)]^1/2 /C_ox ≈ 0 für p-Typ-Kanaldotierung und V_t,amp ≈ φ_M- X - E_g/2q - [2ε_sqN_DV_th In(N_D/n_i)] ^1/2/C_ox ≈ 0 für n-Typ-Kanaldotierung.
Die für Rauschverstärkungs- und Datenverarbeitungseinheiten verwendeten Transistoren werden unter Verwendung von mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) kompatiblen Standardtechniken hergestellt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird die Rauschverstärkungseinheit monolithisch mit der Datenverarbeitungseinheit hergestellt, z.B. auf demselben Chip mit integrierten Schaltungen. Siehe zum Beispiel die nachstehend beschriebenen 20 bis 23, die beispielhafte monolithische Herstellungsprozesse zeigen.
Alternativ können die Transistoren, die für den Rauschverstärker auf Vt ≈ 0 V eingestellt sind, auf einem separaten Chip hergestellt und unter Verwendung von bekannten Bondtechniken wie zum Beispiel Flip-Chip-Bonden auf einen Standardchip (der die Datenverarbeitungseinheit umfasst) gebondet werden. In einigen Ausführungsformen ist dieser Ansatz insofern vorteilhaft, als er größere Änderungen beim Herstellungsprozessablauf der in der Rauschverstärkungseinheit verwendeten Transistoren ermöglicht (zum Beispiel gleichzeitige Änderung verschiedener Einheitsparameter), ohne den Herstellungsprozessablauf der für die Datenverarbeitungseinheit verwendeten Standardtransistoren zu beeinträchtigen.
Es werden hierin auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen sowohl die Datenverarbeitungseinheit als auch die Rauschverstärkungseinheit auf Standardchips unter Verwendung von Standardparametern hergestellt werden, was zu einer absoluten positiven Vt für alle Transistoren führt. Anschließend werden die Chips miteinander gebondet. Dann wird eine Vorspannung an das Substrat (im Fall von Bulk-Transistoren) oder das Trägersubstrat (im Fall von SOI-Transistoren) des Rauschverstärkungschips angelegt, wodurch sich die V_t auf etwa Null ändert. Siehe zum Beispiel 10. Wie in 10 gezeigt, wird Lötkontakthügel-Bonden verwendet, um einen Chip, der mindestens einen Transistor für die Rauschverstärkungseinheit enthält (mit „Verstärkerchip“ beschriftet), mit einem Chip, der mindestens einen Standardtransistor für die Datenverarbeitungseinheit enthält (mit „Standardchip“ beschriftet), über Lötkugeln zwischen Metall-Kontaktstellen auf den Verbindungsflächen der jeweiligen Chips zu bonden. Ein Füllmaterial kapselt die Verbindung ein. Die Schwellenspannungen der Transistoren in dem Verstärkerchip werden dann durch Anlegen einer positiven (oder negativen) Vorspannung an das Trägersubstrat der n-Kanal- (oder p-Kanal-) Transistoren auf etwa Null verschoben. Das Trägersubstrat des Standardchips kann z.B. mit der Masse als globale Masse des Systems verbunden werden. Somit werden in dieser beispielhaften Ausführungsform Standardtransistoren sowohl für den Rauschverstärker als auch für die Datenverarbeitungseinheit hergestellt, und die Abänderung der Transistoren für den Rauschverstärker erfolgt durch selektives Anlegen einer Substratspannungsvorspannung an die Transistoren des Rauschverstärkers.
Rauschverstärker: In 11 ist schematisch eine Verstärkerschaltung 1100 gezeigt, die einen Lasttransistor 1102 („M_LOAD“) und einen Verstärkungstransistor 1104 („M_AMP“) mit miteinander verbundenen Sourcen bzw. Drains aufweist, die eine Ausgangsspannung (V_out) erzeugen. In der herkömmlichen Verstärkerschaltung 1100 handelt es sich bei dem Lasttransistor 1102 und dem Verstärkungstransistor 1104 um Standardtransistoren. Ein Kondensator (C_b) wird eingesetzt, um den Gleichspannungs- (DC-) Anteil der Eingangsspannung (V_in) zu blockieren. Wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, wird durch Blockieren des Gleichspannungsanteils eines Signals mit einem Hochpassfilter (wie zum Beispiel dem mit C_b gebildeten) unweigerlich auch ein niederfrequenter Anteil des Signals nahe der Gleichspannung blockiert. Je größer der C_b-Wert ist, desto niedriger ist die maximale Frequenz, die effektiv blockiert wird. Vorspannungswiderstände (R_1,bias und R_2,bias) befinden sich zwischen V_in und der Drain-Drain-Spannung (Vdd) bzw. der Source-Source-Spannung (Vss).
Bei dieser Verstärkerschaltung 1100 beträgt die Spannungsverstärkung A_v des Verstärkers: $A_{V} \approx - g_{m, A m p} (r_{d s, A m p} ‖ \frac{1}{g_{m, l o a d}}) \approx - \frac{g_{m, A m p}}{g_{m, L o a d}} \approx - \frac{{(W / L)}_{A m p}}{{(W / L)}_{L o a d}},$
wobei g_m,load die Steilheit des Lasttransistors 1102 ist, g_m,Amp die Steilheit des Verstärkungstransistors 1104 ist, r_ds,Amp der Drain-Source-Widerstand des Verstärkungstransistors 1104 ist, und „| | ” eine Parallelschaltung bezeichnet (bei zwei gegebenen Widerständen R₁ und R₂ ist der Widerstand, der sich aus der Parallelschaltung der beiden Widerstände ergibt, gegeben durch R₁ 11 R₂ = (1/R₁+1/R₂)^-1 ). Das liegt daran, dass der Drain-Anschluss von M_LOAD mit seinem Gate-Anschluss verbunden ist und daher der effektive Ausgangswiderstand von M_LOAD gleich 1/_gm,Load ist. Folglich erfordert eine große Spannungsverstärkung (A_v = V_in / V_out) eine große Transistorbreite/-länge (W / L ) für M_AMP und damit einen großen Vorspannungsstrom, was zu einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme im Bereitschaftszustand führt. Zudem bedeutet ein großes W/L ein großes W und damit eine große Gate-Kapazität, was die Bandbreite verringert, da L in einer hergestellten integrierten Schaltung üblicherweise fest ist. Eine große Gate-Kapazität führt auch zu einer hohen dynamischen elektrischen (Schalt-) Leistungsaufnahme. Außerdem verbraucht das Eingangsvorspannungsnetz Bereitschaftsleistung (zum Bereitstellen einer positiven DC-Gate-Vorspannung fürM_amp), was die elektrische Leistungsaufnahme weiter erhöht. M_AMP erfordert eine positive DC-Gate-Vorspannung, da es eine positive V_t hat.
Im Vergleich dazu ist eine Rauschverstärkerschaltung 1200 gemäß den vorliegenden Techniken in 12 schematisch dargestellt. Wie in 12 gezeigt ist, umfasst die Rauschverstärkerschaltung 1200 mindestens einen Lasttransistor („M_LOAD“) 1202 und mindestens einen Verstärkungstransistor („M_AMP“) 1204 mit miteinander verbundenen Sourcen bzw. Drains, die zusammen eine Ausgangsspannung (V_out) erzeugen. Der Lasttransistor 1202 und der Verstärkungstransistor 1204 weisen eine V_t von etwa null Volt auf. Lediglich beispielhaft sind gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Lasttransistor 1202 und der Verstärkungstransistor 1204 jeweils so abgeändert, dass sie eine Vt zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen aufweisen. Techniken zum Ermöglichen, dass die Transistoren wie zum Beispiel der Lasttransistor 1202 und der Verstärkungstransistor 1204 eine Vt von etwa Null aufweisen, wurden vorstehend bereitgestellt.
Wie in 12 gezeigt ist, wird ein Kondensator ( C_b) eingesetzt, um den DC-Anteil der Eingangsspannung (V_in) zu blockieren. Ein Vorspannungswiderstand (R_bias ) befindet sich zwischen V_in und der Vss. C_b und R_bias (oder M_bias) erzeugen ein Hochpassfilter. Wie vorstehend erläutert, blockiert ein Hochpassfilter (wie zum Beispiel das mit C_b und R_bias gebildete) unweigerlich neben der Gleichspannung auch einen niederfrequenten Anteil des Signals nahe der Gleichspannung. Je größer C_b und je größer R_bias (genauer gesagt, je größer das als RC-Verzögerung bezeichnete Produkt aus R_bias und C_b), desto niedriger ist die maximale Frequenz, die durch das Hochpassfilter wirksam blockiert wird (d.h. desto schmaler ist der Sperrbereich des Hochpassfilters). Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, werden hierin auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen R_bias durch einen Vorspannungstransistor M_bias ersetzt wird.
Vorteilhafterweise ist die Verstärkung A_v der Verstärkerspannung bei der Verstärkerstufe 1200: $A_{V} \approx - g_{m, A m p} (r_{d s, A m p} ‖ r_{d s, L o a d}),$
wobei g_m der Eingang in den Transistor 1204 (g_m,Amp) ist, und r_ds,load, r_ds,Amp der Drain-Source-Widerstand des Lasttransistors 1202 bzw. des Verstärkungstransistors 1204 sind. Das liegt daran, dass der Gate-Anschluss des Lasttransistors 1202 mit seinem Source-Anschluss verbunden ist, und daher ist der effektive Ausgangswiderstand von M_LOAD gleich r_ds,Load. Da r_ds □ 1 / g_m ist, kann eine große A_v erreicht werden, ohne ein großes W / L und große Vorspannungsströme (siehe oben) zu benötigen, solange r_ds,AMP und r_ds,Load groß sind. Zusätzlich verbraucht das Eingangsvorspannungsnetz keine Bereitschaftsleistung, da M_AMP bei einer Gate-Source-Spannung von Null vorgespannt sein kann (da Vt ≈ 0 V).
Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, können die vorliegenden Rauschverstärker in einer mehrstufigen (d.h. N-stufigen) Ausführung eingesetzt werden. 13 ist ein schematisches Schaubild, das eine einstufige Rauschverstärkerschaltung 1300 dieser mehrstufigen Ausführung eines Rauschverstärkers veranschaulicht. Ähnlich wie die Rauschverstärkerschaltung 1200, die gemäß der Beschreibung von 12 vorstehend beschrieben wurde, umfasst die Rauschverstärkerschaltung 1300 mindestens einen Lasttransistor („M_LOAD“) 1302 und mindestens einen Verstärkungstransistor („M_AMP“) 1304 mit miteinander verbundenen Sourcen bzw. Drains. Wenn die Rauschverstärkerschaltung 1300 an ihrem Eingang eine äquivalente Eingangsrauschspannung (V_n,in) empfängt, erzeugt sie an ihrem Ausgang eine äquivalente Ausgangsrauschspannung (V_n,out), wobei das Verhältnis von V_n,out/V_n,in bei einer bestimmten Frequenz gleich der Spannungsverstärkung der Verstärkerschaltung 1300 bei dieser Frequenz ist. Der Lasttransistor 1302 und der Verstärkungstransistor 1304 weisen eine V_t von etwa Null auf.
Lediglich beispielhaft weisen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Lasttransistor 1302 und der Verstärkungstransistor 1304 eine V_t zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen auf. Techniken, um die Transistoren wie zum Beispiel den Lasttransistor 1302 und den Verstärkungstransistor 1304 mit einer V_t von etwa Null zu versehen, wurden vorstehend beschrieben. Ein Vorspannungswiderstand (r_bias) befindet sich zwischen V_in und der Vss und stellt eine Gleichspannungsvorspannung von Null Volt über der Gate-Source von M_AMP bereit. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, werden hierin auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen r_bias durch einen Vorspannungstransistor M_bias ersetzt wird.
Für die einstufige Rauschverstärkerschaltung 1300 der vorliegenden mehrstufigen Ausführung eines Rauschverstärkers gilt: $\bar{V_{n, o u t}^{2}} = (\bar{I_{n, A m p}^{2}} + \bar{I_{n, L o a d}^{2}}) r_{o u t}^{2} + \bar{V_{n, B i a s}^{2}} A_{V}^{2} + \bar{V_{n, i n}^{2}} A_{V}^{2}$
$\bar{I_{n, A m p}^{2}} = \underset{Thermal Noise}{\underset{︸}{\bar{I_{n, t h, A m p}^{2}}}} + \underset{Flicker Noise}{\underset{︸}{\bar{I_{n,1 / ƒ, A m p}^{2}}}} = - 4 k T (2 / 3) g_{m, A m p} + \frac{K g_{m, A m p}^{2}}{C_{o x} {(W L)}_{A m p} ƒ}$
$\bar{I_{n, L o a d}^{2}} = \underset{Thermal Noise}{\underset{︸}{\bar{I_{n, t h, L o a d}^{2}}}} + \underset{Flicker Noise}{\underset{︸}{\bar{I_{n,1 / ƒ, L o a d}^{2}}}} = - 4 k T (2 / 3) g_{m, L o a d} + \frac{K g_{m, L o a d}^{2}}{C_{o x} {(W L)}_{L o a d} ƒ}$
$\bar{V_{n, B i a s}^{2}} = 4 k T R_{b i a s}, r_{o u t} = r_{d s, A m p} ‖ r_{d s, L o a d}, A_{V} \approx - g_{m, A m p} r_{o u t}$
Darüber hinaus wird in einigen beispielhaften, hierin in Betracht gezogenen Ausführungsformen R_bias durch einen Vorspannungstransistor M_bias ersetzt: $\bar{V_{n, B i a s}^{2}} = [\underset{Thermal Noise}{\underset{︸}{\bar{I_{n, t h, B i a s}^{2}}}} + \underset{Flicker Noise}{\underset{︸}{\bar{I_{n,1 / ƒ, B i a s}^{2}}}}] r_{d s, b i a s}^{2} = (4 k T (2 / 3) g_{m, B i a s} + \frac{K g_{m, B i a s}^{2}}{C_{o x} {(W L)}_{B i a s} ƒ}) r_{d s, b i a s}^{2} .$
Siehe z.B. das in nachstehender 15 bereitgestellte Beispiel einer N-stufigen Ausführung eines Rauschverstärkers unter Einsatz von Vorspannungstransistoren. In den vorstehenden Ausdrücken ist rout der Ausgangswiderstand der Verstärkerschaltung 1300 (r_out ≈ r_ds,Load | | r_ds,Amp), k ist die Boltzmann-Konstante, T ist die absolute Temperatur, K ist die Funkelrauschkonstante der Transistoren M_Load und M_Amp, f ist die Frequenz und A_v ist die Spannungsverstärkung der Verstärkerschaltung 1300. Die Bezeichnungen $\bar{V_{n}^{2}}$
und $\bar{I_{n}^{2}}$
stehen für die Spektraldichte (d.h. das Spektrum) der Rauschspannung bzw. des Rauschstroms. Zum Beispiel ist $\bar{I_{n, L o a d}^{2}}$
die Rauschstrom-Spektraldichte von M_Load, und $\bar{V_{n, B i a s}^{2}}$
ist die Rauschspannungs-Spektraldichte von R_bias oder M_bias.
In den vorstehenden Gleichungen (2) bis (6) werden Rauschspannungen und Rauschströme pro Einheitsbandbreite der Schaltung angegeben (per Definition, wie üblich). C_b und R_bias (oder M_bias) erzeugen ein Hochpassfilter mit einer Übertragungsfunktion, die in einer oder mehreren Ausführungsformen eine Näherungsform |H(f)|² ≈ f² /[1 + (f / f_L)² ] aufweist, wobei f_L ≈ 1 / (2,₇R_biasC_b) für R_bias bzw. f_L ≈1/(2π_rds,biasC_b) für M_bias ist, und die Kapazität C_load, die den Ausgangsknoten lädt (z.B. (Eingangskapazität des A/D), oder die intrinsische Grenzschicht der Transistoren, je nachdem, welcher Wert niedriger ist, erzeugt ein Tiefpassfilter mit einer Übertragungsfunktion, die in einer oder mehreren Ausführungsformen eine Näherungsform |H(f)|² ≈ 1 / [1 + (f / f_H )² ] aufweist, wobei f_H≈ 1 / / (2πr_outC_load) bzw. f_H ≈ (g_m / 2πC_gs)_Amp ist, wobei Cgs die Gate-Source-Kapazität von M_Amp ist. Von daher wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform die Gesamtrauschspannungsausgabe (d.h. integriert über alle Frequenzen) des einstufigen Rauschverstärkers wie folgt bestimmt: $\bar{V_{n, o u t, t o t a l}^{2}} \approx \int_{0}^{\infty} \frac{{(ƒ / ƒ_{L})}^{2}}{[1 + {(ƒ / ƒ_{L})}^{2}] [1 + {(ƒ / ƒ_{H})}^{2}]} \bar{V_{n, o u t}^{2}} d ƒ .$
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist f_H ≥100 MHz, zum Beispiel f_H ≥ 500 MHz, und f_L wird so gewählt, dass sie gleich oder größer ist als die Eckfrequenz (fc) von M_Amp, M_Load und M_bias (d.h., f_L≥ f_c). Die Eckfrequenz bezieht sich auf die Frequenz, oberhalb derer das Funkelrauschen kleiner wird als das thermische Rauschen (angesichts der 1/f-Abhängigkeit des Funkelrauschens). Das heißt, fc = 3Kgm/8kTC_oxWL. Deshalb wird in derartigen Ausführungsformen der frequenzabhängige (nicht-weiße) Anteil des Rauschens (d.h. die zweiten Terme auf der rechten Seite der Gleichungen (3), (4) und (6)) wirksam beseitigt, was zu einer im Wesentlichen frequenzinvarianten (weißen) V_n,out bei Frequenzen von ^~1,4 f_L bis ^~1,4 f_H führt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform liegt fc im Bereich von etwa 100 Hz bis etwa 100 kHz sowie in Bereichen dazwischen, zum Beispiel zwischen etwa 1 kHz und etwa 10 KHz und in Bereichen dazwischen. Es ist anzumerken, dass die vorstehenden Gleichungen (1) bis (7) Ausdrücke erster Ordnung sind, die eine ungefähre Beschreibung der Schaltung 1300 bereitstellen und als solche als Richtschnur zum Beschreiben oder Ausführen einer Rauschverstärkungsschaltung gemäß den vorliegenden Techniken nützlich sind, und nicht als endgültig oder einschränkend zu betrachten sind.
14 ist ein schematisches Schaubild, das eine beispielhafte N-stufige Rauschverstärkerschaltung 1400 gemäß den vorliegenden Techniken zeigt. Wie in 14 gezeigt ist, umfasst eine Rauschverstärkerschaltung 1400 mehrere Stufen, d.h. Stufen 1, 2, 3, ..., N-1und N. Jede Stufe ist zum Beispiel so konfiguriert, wie gemäß der Beschreibung von 12 und 13 vorstehend beschrieben. Zum Beispiel umfasst jede Stufe mindestens einen Lasttransistor 1402 und mindestens einen Verstärkungstransistor 1404 mit miteinander verbundenen Sourcen bzw. Drains, die zusammen eine Ausgangsspannung (Vout,1 für Stufe 1, Vout,2 für Stufe 2, usw.) erzeugen. Wie vorstehend im Detail beschrieben, weisen der Lasttransistor 1402 und der Verstärkungstransistor 1404 eine Vt von etwa Null auf. Lediglich beispielhaft weisen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Lasttransistor 1402 und der Verstärkungstransistor 1404 eine V_t zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen auf. Techniken, um Transistoren wie zum Beispiel den Lasttransistor 1402 und den Verstärkungstransistor 1404 mit einer V_t von etwa Null bereitzustellen, wurden vorstehend bereitgestellt.
Wie in 14 gezeigt ist, wird ein Kondensator ( C_b) zwischen Stufen eingesetzt, um den DC-Anteil der von der vorhergehenden Stufe empfangenen Eingangsspannung zu blockieren. Der C_b erzeugt gemeinsam mit einem Vorspannungswiderstand (R_bias ) ein Hochpassfilter. In einigen Ausführungsformen kann ein zusätzlicher DC-Sperrkondensator (z.B. C_b) zwischen V_out,N und dem Element, das V_out,N in der Datenverarbeitungseinheit (z.B. dem A/D-Wandler) empfängt, angeordnet sein, um den DC-Anteil von V_out,N zu blockieren. Wie vorstehend erläutert, blockiert C_b einen niederfrequenten Anteil des durch ihn laufenden Signals nahe der Gleichspannung.
Wie vorstehend hervorgehoben, kann R_bias durch einen Vorspannungstransistor M_bias ersetzt werden. In diesem Fall erzeugen der C_b und M_bias ein Hochpassfilter. Siehe zum Beispiel 15. 15 ist ein schematisches Schaubild, das eine beispielhafte N-Stufen-Rauschverstärkerschaltung 1500 gemäß den vorliegenden Techniken zeigt. Die Rauschverstärkerschaltung 1500 ist genauso aufgebaut wie die Rauschverstärkerschaltung 1400 (14), mit der Ausnahme, dass der Vorspannungswiderstand (R_bias ) (der Rauschverstärkerschaltung 1400) durch einen Vorspannungstransistor (Mb_ias) 1506 ersetzt ist. In dieser beispielhaften Ausführungsform sind der Gate- und Source-Anschluss von M_bias miteinander verbunden, wodurch ein äquivalenter Vorspannungswiderstand entsteht, der gleich r_ds,bias, dem Drain-Source-Widerstand von M_bias, ist.
Und zwar umfasst, wie in 15 gezeigt ist, die Rauschverstärkerschaltung 1500 mehrere Stufen, d.h. Stufen 1, 2, 3, ..., N-1und N. Jede Stufe ist zum Beispiel so konfiguriert, wie gemäß der Beschreibung von 12 und 13 vorstehend beschrieben. Zum Beispiel umfasst jede Stufe mindestens einen Lasttransistor 1502 und mindestens einen Verstärkungstransistor 1504 mit miteinander verbundenen Sourcen bzw. Drains, die zusammen eine Ausgangsspannung (Vout,1 für Stufe 1, Vout,2 für Stufe 2, usw.) erzeugen. Wie vorstehend im Detail beschrieben, sind der Lasttransistor 1502 und der Verstärkungstransistor 1504 jeweils so abgeändert, dass sie eine Vt von etwa Null aufweisen. Lediglich beispielhaft weisen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Lasttransistor 1502 und der Verstärkungstransistor 1504 eine V_t zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen auf. Techniken, um die Transistoren wie zum Beispiel den Lasttransistor 1502 und den Verstärkungstransistor 1504 mit einer V_t von etwa Null bereitzustellen, wurden vorstehend bereitgestellt.
Wie in 15 gezeigt ist, wird ein Kondensator (C_b) zwischen Stufen eingesetzt, um DC von der Eingangsspannung zu blockieren, die von der vorhergehenden Stufe empfangen wird. Hier erzeugt der C_b gemeinsam mit dem Vorspannungstransistor (Mb_ias) 1506 ein Hochpassfilter mit einer RC-Verzögerung von ungefähr r_ds,bias C_b. Ähnlich wie bei der Verstärkerschaltung 1400 aus 14 kann auch ein DC-Sperrkondensator (z.B. C_b) zwischen V_out,N und dem Empfangselement in der Datenverarbeitungseinheit angeordnet sein.
16 zeigt ein Schaubild, das eine beispielhafte Methodik 1600 für die Erzeugung von Zufallszahlen unter Verwendung des vorliegenden Zufallszahlengenerators wie zum Beispiel des Systems 100 aus 1 (zumindest teilweise eine digitale Umsetzung) oder des Systems 200 aus 2 (zumindest teilweise eine analoge Umsetzung) veranschaulicht. Wie vorstehend bereitgestellt, handelt es sich bei dem vorliegenden Zufallszahlengenerator um ein Hybridsystem, das eine Datenverarbeitungseinheit und eine Rauschverstärkungseinheit aufweist. Mit „hybrid“ ist gemeint, dass verschiedene Transistortypen kombiniert werden, um den Zufallszahlengenerator zu bilden, d.h. in der Datenverarbeitungseinheit werden Standardtransistoren verwendet, während in der Rauschverstärkungseinheit Transistoren mit einer V_t nahe Null verwendet werden. Insbesondere umfasst die Datenverarbeitungseinheit Standard-Normally-OFF-Transistoren mit absoluter positiver V_t, die als Standard-Digital-, -Analog- und -Mischsignalschaltungen konfiguriert sind. Andererseits umfasst die Rauschverstärkungseinheit Transistoren mit einer V_t von etwa Null und ist als Verstärkerschaltungen für die Verstärkung des von Transistoren und dem Widerstandsvorspannungsnetz erzeugten Rauschens konfiguriert.
Insbesondere kann die Rauschverstärkungseinheit, wie zum Beispiel in Verbindung mit der Beschreibung von 12 und 13 vorstehend beschrieben, mindestens einen Lasttransistor und mindestens einen Verstärkungstransistor aufweisen, die jeweils eine V_t zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen aufweisen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden, wie vorstehend beschrieben, der Lasttransistor und der Verstärkungstransistor mit einer Gate-Source-Spannung von Null vorgespannt, um in einem Unterschwellenbereich zu arbeiten. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird, wie vorstehend beschrieben, die V_t der Transistoren in dem Rauschverstärker durch Anlegen einer positiven (negativen) Vorspannung an das Substrat der n-Kanal- (p-Kanal-) Transistoren (z.B. ein Bulk-Substrat für Bulk-Transistoren und ein Trägersubstrat für SOI-Transistoren) auf etwa Null verschoben. Wie vorstehend darüber hinaus beschrieben, kann die V_t des Lasttransistors und des Verstärkungstransistors auch durch Verwendung einer niedrigeren (höheren) Gate-Elektroden-Arbeitsfunktion für n-Kanal- (p-Kanal-) Transistoren, durch Verwendung einer niedrigeren Dotierungskonzentration des Transistorkanals, durch Verwendung des entgegengesetzten Dotierungstyps des Transistorkanals und/oder durch Verwendung eines dünneren Transistorkanals im Vergleich zu Standard-Normally-OFF-Transistoren, wie sie in der Datenverarbeitungseinheit verwendet werden, auf etwa Null eingestellt werden. So haben die Transistoren der Rauschverstärkungseinheit im abgeänderten Zustand eine V_t von etwa Null, im Gegensatz zu einem positiven Absolutwert von V_t wie bei Standardtransistoren.
In Schritt 1602 wird die Rauschverstärkungseinheit verwendet, um das von den Transistoren und dem Widerstandsvorspannungsnetz erzeugte Rauschen zu verstärken (beruhend auf einer angelegten Spannung Vdd/Vss), wie vorstehend in Bezug auf die einstufige Verstärkerschaltung 1300 aus 13 und ihre Verwendung in den mehrstufigen Verstärkerschaltungen 1400 und 1500 in 14 bzw. 15 erläutert. Unter Bezugnahme auf 14 und 15 ist zum Beispiel die Spektraldichte der eingangsbezogenen thermischen Rauschspannung von M_Amp in Stufe 1 durch 4kT(2/3g_m,Amp) gegeben. Unter der Annahme, dass alle Verstärkerstufen die gleiche Spannungsverstärkung Av aufweisen, ist der Beitrag des thermischen Rauschens von M_Amp zu der Spektraldichte des Rauschspannungsausgangs des Verstärkers (innerhalb der Verstärkerbandbreite) gegeben durch 4kT(2/3g_m,Amp).(A_v)^2N. Die gesamte Spektraldichte der Rauschspannung an dem Verstärkerausgang $(\bar{V_{n, o u t, N}^{2}})$
ist die Summe der Spektraldichten des verstärkten Rauschens, zu dem jeder der Transistoren und Widerstände in der Schaltung beiträgt.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird eine digitale Umsetzung des Zufallszahlengenerators eingesetzt, wobei das verstärkte Rauschen aus der Rauschverstärkungseinheit digitalisiert wird, z.B. unter Verwendung eines A/D-Wandlers. Siehe Schritt 1604. Alternativ wird gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform eine analoge Umsetzung des Zufallszahlengenerators eingesetzt, wobei das verstärkte Rauschen aus der Rauschverstärkungseinheit abgetastet wird, z.B. unter Verwendung einer S&H-Schaltung. Siehe Schritt 1606.
In Schritt 1608 wird das verstärkte Rauschen aus der Rauschverstärkungseinheit von der Datenverarbeitungseinheit verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen. Bei einer digitalen Umsetzung (siehe Schritt 1604 - vorstehend beschrieben) wird das digitalisierte, verstärkte Rauschsignal aus dem A/D-Wandler von der Datenverarbeitungseinheit verarbeitet, um den Strom von Zufallszahlen zu erzeugen. Wie vorstehend angeführt, kann die digitale Verarbeitungseinheit innerhalb der Datenverarbeitungseinheit zum Beispiel eine logische ,1' registrieren, wenn das verstärkte Rauschsignal größer oder gleich V_ref ist, und eine logische ,0' registrieren, wenn das verstärkte Rauschsignal kleiner als V_ref ist, oder umgekehrt. Wenn zum Beispiel für V_ref = 0 das verstärkte Rauschsignal den Wert Null oder einen positiven Wert aufweist, kann dies eine logische ,1' registrieren, und wenn es einen negativen Wert aufweist, kann dies eine logische ,0' registrieren, oder umgekehrt. Alternativ kann bei einer analogen Umsetzung (siehe Schritt 1606 - vorstehend beschrieben) das abgetastete verstärkte Rauschsignal aus der S&H-Schaltung von der Datenverarbeitungseinheit mit einer Referenzspannung (V_ref) verglichen werden, um den Strom von Zufallszahlen zu erzeugen. Wenn zum Beispiel, wie vorstehend angeführt, das verstärkte Rauschsignal größer oder gleich Vref ist, kann dies eine logische ,1' registrieren, und wenn das verstärkte Rauschsignal kleiner als Vref ist, kann dies eine logische ,0' registrieren, oder umgekehrt.
17 zeigt ein Diagramm 1700, das veranschaulicht, wie die Transistoren der Rauschverstärkungseinheit bei einer Gate-Source-Spannung von Null vorgespannt werden können und in einem Unterschwellenbereich arbeiten. In diesem Beispiel wurden High-κ/Metall-Gate-Bulk-FinFET-Transistoren für die Verstärkungs- und Lasttransistoren in der Verstärkungseinheit eingesetzt, wobei jeder FinFET-Transistor eine Gate-Länge L = 30 nm, einen Lamellenabstand F_pitch = 80 nm und eine Körper- (Lamellen-) Dicke t_FIN = 15 nm aufweist. Wie in Diagramm 1700 gezeigt ist, weisen Standardtransistoren mit der Arbeitsfunktion des Metall-Gates (Φ_gate) von 4,61 eV eine positive Schwellenspannung (etwa 0,5 V) auf. Allerdings wird beim Verwenden eines Metall-Gates mit ϕ_gate von 4,28 eV die Schwellenspannung auf etwa null Volt (etwa 0,2 V) verringert, und die Transistoren arbeiten in einem Unterschwellenbereich bei einer Gate-Source-Spannung (V_GS) von null Volt (da V_GS = 0 V etwa 0,2 V unter V_t ≈ 0,2 V liegt). In einigen Ausführungsformen werden die Standardtransistoren (mit ϕ_gate = 4,61 eV) und die Transistoren mit einer V_t nahe Null (mit Φ_gate = 4,28 eV), wie vorstehend erläutert, unter Verwendung eines monolithischen Herstellungsprozesses ko-integriert.
18 ist ein beispielhaftes Simulationsdiagramm 1800, das die Eigenschaften der hohen Geschwindigkeit und der geringen Leistungsaufnahme einer Rauschverstärkungseinheit, die in diesem Beispiel als 4-stufiger Verstärker mit Vdd = 1 V, Vss = 0, R_bias = 100 MΩ, C_b = 1 pF umgesetzt ist, unter Verwendung der FinFET-Einheiten (mit Φ_gate = 4,28 eV), die gemäß der Beschreibung von 17 vorstehend beschrieben wurden, veranschaulicht. In diesem Beispiel kann V_ref so gewählt werden, dass sie gleich Vdd / 2 = 0,5 V ist. Daher kann die Datenverarbeitungseinheit eine logische ,1' registrieren, wenn das verstärkte Rauschsignal einen Wert größer oder gleich 0,5 V aufweist, und eine logische ,0' registrieren, wenn es einen Wert kleiner als 0,5 V aufweist, oder umgekehrt. Unter Verwendung dieser Konvention kann ein Abtasten von V_out,4 zum Beispiel bei 20 ns, 40 ns, 60 ns, 80 ns, 100 ns eine Zufallsfolge 11010 erzeugen. Alternativ wird in einigen beispielhaften Ausführungsformen ein DC-Sperrkondensator (z.B. C_b) zwischen die Ausgangsstufe und die Datenverarbeitungseinheit geschaltet, und V_ref wird auf null Volt eingestellt. In diesem Beispiel verbraucht jede Stufe eine DC- (Bereitschafts-) Leistung von etwa 1V × 10 µA = 10 µW (insgesamt 40 µW für die 4 Stufen).
Obwohl es sich bei den in den beispielhaften Ausführungsformen aus 12 bis 15 verwendeten Transistoren um n-Kanal-Transistoren handelt, sollte klar sein, dass auch p-Kanal-Transistoren verwendet werden können (nach den erforderlichen Anpassungen, um die entgegengesetzten Vorspannungspolaritäten für p-Kanal-Transistoren zu berücksichtigen). Vorzugsweise sind alle in der Rauschverstärkungseinheit verwendeten Transistoren entweder n-Kanal oder p-Kanal. Zwar kann die Rauschverstärkungseinheit durch eine Kombination von n-Kanal- und p-Kanal-Transistoren umgesetzt werden (einschließlich Ausführungsformen, bei denen M_Amp und M_Load in einer Einzelstufe entgegengesetzte Kanaltypen aufweisen), doch erfordert ein Einstellen von V_t auf einen Wert von etwa Null sowohl für p-Kanal- als auch für n-Kanal-Transistoren einen größeren Aufwand (z.B. eine größere Anzahl von Herstellungsprozessschritten bei der monolithischen Ko-Integration) als ein Einstellen von V_t auf einen Wert von etwa Null für lediglich einen Kanaltyp. Zusätzlich erleichtert ein Umsetzen der Rauschverstärkungseinheit mit einem einzigen Kanaltyp (entweder n-Kanal oder p-Kanal) das Verschieben von V_t auf etwa Null durch Anlegen einer einzelnen Vorspannung an das Substrat (z.B. an das Trägersubstrat von SOI-Transistoren), wie bereits erläutert.
Lediglich beispielhaft kann der vorliegende Zufallszahlengenerator in einer computergestützten Vorrichtung wie zum Beispiel der Vorrichtung 1900 aus 19 umgesetzt sein. Wie in 19 gezeigt ist, umfasst die Vorrichtung 1900 ein Computersystem 1910 und austauschbare Medien 1950. Das Computersystem 1910 umfasst eine Prozessoreinheit 1920, eine Netzwerkschnittstelle 1925, einen Speicher 1930, eine Medienschnittstelle 1935 und eine optionale Anzeige 1940. Die Netzwerkschnittstelle 1925 ermöglicht es dem Computersystem 1910, sich mit einem Netzwerk zu verbinden, während die Medienschnittstelle 1935 es dem Computersystem 1910 erlaubt, mit Medien wie zum Beispiel einem Festplattenlaufwerk oder den austauschbaren Medien 1950 Daten auszutauschen. In der beispielhaften Ausführungsform aus 19 ist der Zufallszahlengenerator auf einem separaten Chip hergestellt und tauscht mit dem Prozessor über Eingabe/Ausgabe-Leitungen (E/A-Leitungen) Daten aus, die lediglich als Beispiel Verbindungen zwischen einem Verstärkerchip, der mit einem Standardchip gebondet ist, wie in 10 gezeigt, oder die fortschrittlicheren, nach dem Stand der Technik bekannten Verbindungen mit Silizium-Durchkontaktierung (TSV, through-silicon via) darstellen können. In anderen Ausführungsformen ist der Zufallszahlengenerator mit zumindest einem Teil der Prozessoreinheit ko-integriert (monolithisch hergestellt) und daher Teil des Blocks 1920.
Die Prozessoreinheit 1920 kann so konfiguriert sein, dass sie die hierin beschriebenen Verfahren, Schritte und Funktionen umsetzt. Der Speicher 1930 könnte verteilt oder lokal sein, und die Prozessoreinheit 1920 könnte verteilt oder einzeln sein. Der Speicher 1930 könnte als elektrischer, magnetischer oder optischer Speicher oder jede beliebige Kombination dieser und anderer Arten von Speichereinheiten umgesetzt sein. Außerdem sollte der Begriff „Speicher“ weit genug aufgefasst werden, so dass er jede beliebige Information umfasst, die von einer Adresse in dem adressierbaren Bereich, auf den von der Prozessoreinheit 1920 zugegriffen wird, gelesen bzw. in eine derartige Adresse geschrieben werden kann. Gemäß dieser Definition befinden sich Daten in einem Netzwerk, auf die durch die Netzwerkschnittstelle 1925 zugegriffen werden kann, noch immer in dem Speicher 1930, da die Prozessoreinheit 1920 die Daten von dem Netzwerk abrufen kann. Es sei angemerkt, dass jeder verteilte Prozessor, aus dem die Prozessoreinheit 1920 besteht, allgemein seinen eigenen adressierbaren Speicherbereich enthält. Es sei auch angemerkt, dass das Datenverarbeitungssystem 1910 teilweise oder vollständig in eine anwendungsspezifische oder universelle integrierte Schaltung integriert sein kann.
Bei der optionalen Anzeige 1940 handelt es sich um einen beliebigen Typ von Anzeige, die dazu geeignet ist, mit einem menschlichen Benutzer der Vorrichtung 1900 zu interagieren. Allgemein handelt es sich bei der Anzeige 1940 um einen Computermonitor oder eine andere gleichartige Anzeige.
Wie vorstehend angeführt, wird die Rauschverstärkungseinheit in einer beispielhaften Ausführungsform monolithisch mit der Datenverarbeitungseinheit hergestellt, z.B. auf demselben Chip mit integrierten Schaltungen. Wie nun beschrieben wird, kann dieser monolithische Herstellungsprozess auf mehrere verschiedene Weisen erfolgen. In jedem Fall werden CMOS-kompatible Standardprozessabläufe mit geringfügigen Abänderungen eingesetzt, damit bestimmte Schritte selektiv für den Rauschverstärkungsteil und nicht für den Datenverarbeitungsteil durchgeführt werden können, und umgekehrt. Daher konzentrieren sich die folgenden Beschreibungen auf diese Abänderungen der Standardprozessabläufe, und es wird auf die Herstellungsschritte verwiesen, die lediglich an den Transistoren der Rauschverstärkungseinheit durchgeführt werden, und auf diejenigen, die lediglich an den Transistoren der Datenverarbeitungseinheit durchgeführt werden, im Vergleich zu den standardmäßigen gemeinsamen Herstellungsschritten, die gleichzeitig an den Transistoren der Rauschverstärkungseinheit und der Datenverarbeitungseinheit durchgeführt werden. Ein CMOS-kompatibler „Standard“-Prozess bezieht sich in seiner Verwendung hierin auf jeden beliebigen etablierten Herstellungsprozess, der für die monolithische Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, können die Einzelheiten derartiger Herstellungsprozesse zwischen verschiedenen Technologieknoten (zum Beispiel zwischen 45-nm- und 14-nm-Technologieknoten) oder wie von verschiedenen Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen übernommen oder praktiziert variieren. Wie vorstehend hervorgehoben, umfasst jeder Transistor im Allgemeinen eine Source und einen Drain, die durch einen Kanal miteinander verbunden sind, sowie ein Gate (das durch ein Gate-Dielektrikum von dem Kanal getrennt ist), das den Elektronenfluss durch den Kanal reguliert. Die Transistoren werden auf einem Substrat hergestellt, bei dem es sich um ein Bulk-Halbleitersubstrat oder um ein SOI-Substrat mit einer SOI-Schicht über einem vergrabenen Isolator (z.B. einem BOX) handeln kann. Die Source-/Drain- und Kanaldotierung, einschließlich des Dotierungstyps (z.B. n-Typ oder p-Typ), kann unter Verwendung von Standard-Ionenimplantationstechniken mit dem entsprechenden Dotierstoff in der gewünschten Konzentration durchgeführt werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform, die nun unter Bezugnahme auf eine Methodik 2000 aus 20 beschrieben wird, werden die Transistoren in dem Rauschverstärkungsteil der integrierten Schaltung unter Verwendung genau derselben Struktur und desselben Herstellungsprozesses hergestellt wie die Transistoren desselben Kanaltyps (d.h. n-Typ oder p-Typ) in dem Datenverarbeitungsteil der integrierten Schaltung, mit der Ausnahme, dass die in dem Rauschverstärkungsteil verwendete Gate-Elektrode aus einem Metall mit einer anderen Arbeitsfunktion als die in dem Datenverarbeitungsteil verwendete ausgebildet wird, so dass die Transistoren in der Rauschverstärkungseinheit eine V_t von etwa Null aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die Methodik 2000 wird in Schritt 2002 ein (Bulk-Halbleiter- oder SOI-Substrat) bereitgestellt, und in Schritt 2004 werden die Transistoren der Rauschverstärkungseinheit und der Datenverarbeitungseinheit bis zu dem Schritt der Metallabscheidung der Gate-Elektrode hergestellt. Als Nächstes wird in Schritt 2006 der Standardprozessablauf durch Maskieren des Rauschverstärkungsteils (z.B. mit Photoresist und/oder einer dielektrischen Maske) vor der Metallabscheidung der Gate-Elektrode auf dem Datenverarbeitungsteil abgeändert. Wenn sich diese Maske über dem Rauschverstärkungsteil befindet, wird in Schritt 2008 ein (erstes) Gate-Elektrodenmetall auf dem Datenverarbeitungsteil abgeschieden.
In Schritt 2010 wird die Maske von dem Rauschverstärkungsteil entfernt, und der Prozess wird dann wiederholt, um das Gate-Metall für den Rauschverstärkungsteil abzuscheiden. Und zwar wird in Schritt 2012 der Datenverarbeitungsteil maskiert (z.B. mit Photoresist und/oder einer dielektrischen Maske), und in Schritt 2014 wird ein (zweites) Gate-Elektrodenmetall (das sich von dem für den Datenverarbeitungsteil verwendeten unterscheidet) auf dem Rauschverstärkungsteil abgeschieden. In Schritt 2016 wird die Maske von dem Datenverarbeitungsteil entfernt, und in Schritt 2018 werden die Transistor- und Chip-Herstellungsprozesse auf standardmäßige Weise fortgesetzt. Wie in 20 gezeigt ist, sind die Prozessschritte vor Schritt 2006 und nach Schritt 2016 für beide Transistortypen (Rauschverstärkung/Datenverarbeitung) genau gleich und werden daher für die beiden Teile auf dem Chip gemeinsam genutzt (d. h. gleichzeitig durchgeführt).
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die nun unter Bezugnahme auf eine Methodik 2100 aus 21 beschrieben wird, werden die Transistoren in dem Rauschverstärkungsteil der integrierten Schaltung unter Verwendung genau derselben Struktur und desselben Herstellungsprozesses hergestellt wie die Transistoren desselben Kanaltyps (n-Typ oder p-Typ) in dem Datenverarbeitungsteil der integrierten Schaltung, mit der Ausnahme, dass das Substrat in dem Datenverarbeitungsteil mit einer geringeren Konzentration dotiert ist als das in dem Datenverarbeitungsteil verwendete, so dass die Transistoren in der Rauschverstärkungseinheit eine V_t von etwa Null aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die Methodik 2100 wird in Schritt 2102 ein (Bulk-Halbleiter- oder SOI-Substrat) bereitgestellt, und in Schritt 2104 werden die Transistoren der Rauschverstärkungseinheit und der Datenverarbeitungseinheit bis zu dem Schritt der Ionenimplantation des Substrats hergestellt, wobei die Dotierungskonzentration des Transistorkanals durch Ionenimplantation festgelegt wird. Als Nächstes wird in Schritt 2106 der Standardprozessablauf durch Maskieren des Rauschverstärkungsteils (z.B. mit Photoresist und/oder einer dielektrischen Maske) vor der Ionenimplantation des Substrats in dem Datenverarbeitungsteil abgeändert. Wenn sich diese Maske über dem Rauschverstärkungsteil befindet, wird in Schritt 2108 eine Ionenimplantation des Substrats auf dem Datenverarbeitungsteil durchgeführt, um die Kanaldotierungskonzentration für den Datenverarbeitungsteil festzulegen.
In Schritt 2110 wird die Maske von dem Rauschverstärkungsteil entfernt, und der Prozess wird dann wiederholt, um die Kanaldotierungskonzentration für den Rauschverstärkungsteil festzulegen. Und zwar wird in Schritt 2112 der Datenverarbeitungsteil maskiert (z.B. mit Photoresist und/oder einer dielektrischen Maske), und in Schritt 2114 wird eine Ionenimplantation des Substrats auf dem Rauschverstärkungsteil durchgeführt (mit einer anderen Ionendosis und/oder Energie als der für den Datenverarbeitungsteil verwendeten). In Schritt 2116 wird die Maske von dem Datenverarbeitungsteil entfernt, und in Schritt 2118 werden die Transistor- und Chip-Herstellungsprozesse auf standardmäßige Weise fortgesetzt. Wie in 21 gezeigt ist, sind die Prozessschritte vor Schritt 2106 und nach Schritt 2116 für beide Transistortypen (Rauschverstärkung/Datenverarbeitung) genau gleich und werden daher für die beiden Teile auf dem Chip gemeinsam genutzt (d. h. gleichzeitig durchgeführt).
In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die nun unter Bezugnahme auf eine Methodik 2200 aus 22 beschrieben wird, werden die Transistoren in dem Rauschverstärkungsteil der integrierten Schaltung unter Verwendung genau derselben Struktur und desselben Herstellungsprozesses wie die Transistoren desselben Kanaltyps in dem Datenverarbeitungsteil der integrierten Schaltung hergestellt, mit der Ausnahme, dass die SOI-Substratdicke in dem Rauschverstärkungsteil dünner ist als die in dem Datenverarbeitungseinheit verwendete, so dass die Transistoren in der Rauschverstärkungseinheit eine V_t von etwa Null aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die Methodik 2200 wird in Schritt 2202 ein SOI-Substrat bereitgestellt. Als nächstes wird in Schritt 2204 der Standardprozessablauf durch Maskieren des Rauschverstärkungsteils (z.B. mit einer dielektrischen Maske) abgeändert, und in Schritt 2206 wird selektives Epitaxiewachstum verwendet, um die SOI-Dicke in dem Datenverarbeitungsteil zu erhöhen. In Schritt 2208 wird die Maske von dem Rauschverstärkungsteil entfernt, und in Schritt 2210 werden die Transistor- und Chip-Herstellungsprozesse auf standardmäßige Weise fortgesetzt. Wie in 22 gezeigt ist, sind die Prozessschritte vor Schritt 2204 und nach Schritt 2208 für beide Transistortypen (Rauschverstärkung/Datenverarbeitung) genau gleich und werden daher für die beiden Teile auf dem Chip gemeinsam genutzt (d. h. gleichzeitig durchgeführt).
In wiederum noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die nun unter Bezugnahme auf eine Methodik 2300 aus 23 beschrieben wird, wird anstelle der Verwendung von selektivem Epitaxiewachstum zum Erhöhen der SOI-Dicke in dem Datenverarbeitungsteil (wie in der vorstehend beschriebenen Methodik 2200 aus 22) die SOI-Dicke in dem Rauschverstärkungseinheitsteil selektiv verringert. Zum Beispiel wird unter Bezugnahme auf die Methodik 2300 in Schritt 2302 ein SOI-Substrat bereitgestellt. Als nächstes wird in Schritt 2304 der Standardprozessablauf durch Maskieren des Datenverarbeitungsteils (z.B. mit einer dielektrischen Maske) abgeändert, und in Schritt 2306 wird ein selektiver (z.B. Nass-) Ätzprozess verwendet, um die SOI-Dicke in dem Rauschverstärkungsteil zu verringern. In Schritt 2308 wird die Maske von dem Datenverarbeitungsteil entfernt, und in Schritt 2310 werden die Transistor- und Chip-Herstellungsprozesse auf standardmäßige Weise fortgesetzt. Wie in 23 gezeigt ist, sind die Prozessschritte vor Schritt 2204 und nach Schritt 2208 für beide Transistortypen (Rauschverstärkung/Datenverarbeitung) genau gleich und werden daher für die beiden Teile auf dem Chip gemeinsam genutzt (d. h. gleichzeitig durchgeführt).
Zu anderen Beispielen für Abänderungen an dem Standardprozessablauf für die monolithische Herstellung, die hierin in Betracht gezogen werden, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, die Verwendung eines anderen High-k-Materials und/oder eines High-k-Materials mit einer anderen Dicke für die Rauschverstärkungseinheit (die Maskierungsschritte sind dieselben wie diejenigen, die für die Änderung des Gate-Metalls gemäß der vorstehenden Beschreibung der Methodik 2000 aus 20 beschrieben sind) und die Verwendung eines entgegengesetzten Kanaldotierungstyps für die Rauschverstärkungseinheit (die Maskierungsschritte sind dieselben wie diejenigen, die für die Änderung der Kanaldotierungskonzentration durch Ionenimplantation gemäß der vorstehenden Beschreibung der Methodik 2100 aus 21 beschrieben sind). Ein Fachmann wird jedoch verstehen, dass es auch möglich ist, mehr als einen Parameter der Einheit (z.B. sowohl die Kanaldotierung als auch die Metall-Arbeitsfunktion) zu ändern, um die V_t des Rauschverstärkungsteils einzustellen, was jedoch zu einer größeren Anzahl von zusätzlichen Prozessschritten führt, um die Ko-Integration des Rauschverstärkungsteils in einem monolithischen Prozess zu ermöglichen.
Obwohl hierin veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf exakt diese Ausführungsformen beschränkt ist und ein Fachmann diverse andere Änderungen und Abwandlungen vornehmen kann, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Choi et al., „The Effect of Metal Thickness, Overlayer and High-k Surface Treatment on the Effective Work Function of Metal Electrode“, Berichte der 35. European Solid-State Device Research Conference, 2005 (ESSDERC 2005), S. 101 bis 104 (September 2005) [0036]

Claims

Zufallszahlengenerator, aufweisend: eine Rauschverstärkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein verstärktes Rauschsignal erzeugt, wobei die Rauschverstärkungseinheit Rauschverstärkungseinheitstransistoren mit einer Schwellenspannung (V_t,amp) von etwa 0 aufweist; und eine Datenverarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal von der Rauschverstärkungseinheit verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren in der Rauschverstärkungseinheit.
Zufallszahlengenerator nach Anspruch 1, wobei die Rauschverstärkungseinheit und die Datenverarbeitungseinheit auf dem gleichen Chip mit integrierten Schaltungen monolithisch integriert sind.
Zufallszahlengenerator nach Anspruch 1, wobei die Rauschverstärkungseinheit und die Datenverarbeitungseinheit auf separaten Chips mit integrierten Schaltungen hergestellt sind, die miteinander verbunden sind.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle der Rauschverstärkungseinheitstransistoren einen gemeinsamen Kanaltyp aufweisen und wobei es sich bei dem gemeinsamen Kanaltyp um einen n-Kanal oder p-Kanal handelt.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren in der Rauschverstärkungseinheit durch Anlegen einer Vorspannung an das Substrat auf etwa Null Volt verschoben wird.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen liegt.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rauschverstärkungseinheitstransistoren Folgendes aufweisen: mindestens einen Lasttransistor; und mindestens einen Verstärkungstransistor.
Zufallszahlengenerator nach Anspruch 7, wobei die V_t,amp des mindestens einen Lasttransistors und des mindestens einen Verstärkungstransistors etwa 0 beträgt.
Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Rauschverstärkungseinheit einen N-stufigen Rauschverstärker aufweist, und wobei mindestens eine Stufe Folgendes aufweist: ein Hochpassfilter, das einen DC-Sperrkondensator (C_b) und einen Vorspannungswiderstand (R_bias ) aufweist.
Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Rauschverstärkungseinheit einen N-stufigen Rauschverstärker aufweist, und wobei mindestens eine Stufe Folgendes aufweist: ein Hochpassfilter, das einen DC-Sperrkondensator (C_b) und einen Vorspannungstransistor (Mb_ias) aufweist.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungseinheitstransistoren bei einer Gate-Source-Spannung von Null vorgespannt sind und in einem Unterschwellenbereich arbeiten.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungseinheitstransistoren mindestens ein Metall zum Einstellen einer Arbeitsfunktion aufweisen, das so konfiguriert ist, dass es die V_t,amp der Verstärkungseinheitstransistoren auf etwa 0 einstellt.
Zufallszahlengenerator nach Anspruch 12, wobei die Datenverarbeitungseinheitstransistoren und die Rauschverstärkungseinheitstransistoren beide n-Kanal-Transistoren aufweisen, und wobei eine Arbeitsfunktion einer Metall-Gate-Elektrode der n-Kanal-Transistoren in der Rauschverstärkungseinheit niedriger ist als die Arbeitsfunktion der Metall-Gate-Elektrode der n-Kanal-Transistoren in der Datenverarbeitungseinheit.
Zufallszahlengenerator nach Anspruch 12, wobei die Datenverarbeitungseinheitstransistoren und die Rauschverstärkungseinheitstransistoren beide n-Kanal-Transistoren aufweisen, und wobei eine Arbeitsfunktion einer Metall-Gate-Elektrode der p-Kanal-Transistoren in der Rauschverstärkungseinheit höher ist als die Arbeitsfunktion der Metall-Gate-Elektrode der p-Kanal-Transistoren in der Datenverarbeitungseinheit.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungseinheitstransistoren und die Datenverarbeitungseinheitstransistoren einen gemeinsamen Kanaltyp aufweisen, und wobei die Verstärkungseinheitstransistoren eine Kanaldotierungskonzentration aufweisen, die niedriger ist als die Kanaldotierungskonzentration der Datenverarbeitungseinheitstransistoren.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungseinheitstransistoren und die Datenverarbeitungseinheitstransistoren einen gemeinsamen Kanaltyp aufweisen, und wobei die Verstärkungseinheitstransistoren einen dünneren Kanal aufweisen als die Datenverarbeitungseinheitstransistoren.
Zufallszahlengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungseinheitstransistoren und die Datenverarbeitungseinheitstransistoren einen gemeinsamen Kanaltyp aufweisen, und wobei die Verstärkungseinheitstransistoren Kanal-Dotierstoffe mit zu den Kanal-Dotierstoffen der Datenverarbeitungseinheitstransistoren entgegengesetzter Polarität aufweisen.
Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 17, wobei die Datenverarbeitungseinheit einen Analog-Digital-Wandler und einen Digitalprozessor aufweist, wobei der Analog-Digital-Wandler so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal digitalisiert, wobei der Digitalprozessor so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal, das durch den Analog-Digital-Wandler digitalisiert wurde, verarbeitet, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, und wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp des mindestens einen Lasttransistors und des mindestens einen Verstärkungstransistors.
Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 17, wobei die Datenverarbeitungseinheit Folgendes aufweist: eine Datenverarbeitungseinheit, die eine Abtast- und Halteschaltung und einen Komparator aufweist, wobei die Abtast- und Halteschaltung so konfiguriert ist, dass sie das verstärkte Rauschsignal abtastet, wobei der Komparator so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Rauschsignal, das von der Abtast- und Halteschaltung abgetastet wird, mit einer Referenzspannung (V_ref) vergleicht, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, und wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp des mindestens einen Lasttransistors und des mindestens einen Verstärkungstransistors.
Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei der mindestens eine Lasttransistor und der mindestens eine Verstärkungstransistor jeweils eine V_t,amp zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen aufweisen.
Verfahren zur Erzeugung von Zufallszahlen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen eines verstärkten Rauschsignals unter Verwendung einer Rauschverstärkungseinheit, die Rauschverstärkungseinheitstransistoren mit einer V_t,amp von etwa 0 aufweist; und Verarbeiten des verstärkten Rauschsignals von der Rauschverstärkungseinheit unter Verwendung einer Datenverarbeitungseinheit, um einen Strom von Zufallszahlen zu erzeugen, wobei die Datenverarbeitungseinheit Datenverarbeitungseinheitstransistoren mit positiven Absolutwerten einer V_t,compute aufweist, die größer sind als die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die V_t,amp der Rauschverstärkungseinheitstransistoren zwischen etwa -0,3 V und etwa 0,3 V und in Bereichen dazwischen liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, darüber hinaus die folgenden Schritte aufweisend: Digitalisieren des verstärkten Rauschsignals unter Verwendung eines Analog-DigitalWandlers; und Verarbeiten des verstärkten Rauschsignals, das durch den Analog-Digital-Wandler digitalisiert wurde, um den Strom von Zufallszahlen zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, darüber hinaus die folgenden Schritte aufweisend: Abtasten des verstärkten Rauschsignals unter Verwendung einer Abtast- und Halteschaltung; und Vergleichen des verstärkten Rauschsignals, das von der Abtast- und Halteschaltung abgetastet wird, mit einer Referenzspannung (V_ref), um den Strom von Zufallszahlen zu erzeugen.