JP5128355B2 - Random number generator - Google Patents
Random number generator Download PDFInfo
- Publication number
- JP5128355B2 JP5128355B2 JP2008109153A JP2008109153A JP5128355B2 JP 5128355 B2 JP5128355 B2 JP 5128355B2 JP 2008109153 A JP2008109153 A JP 2008109153A JP 2008109153 A JP2008109153 A JP 2008109153A JP 5128355 B2 JP5128355 B2 JP 5128355B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- random number
- fet
- field effect
- effect transistor
- output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Description
本発明は、素電荷のランダムな振る舞いを利用した乱数発生素子および乱数発生方法に関するものである。 The present invention relates to a random number generation element and a random number generation method using random behavior of elementary charges.
乱数列は、予測不可能なランダムな数の並びであり、計算シミュレーションや暗号化技術で重要な要素である。そのランダムさに規則性が無く、予測不可能なものほど質が良い乱数と言え、計算シミュレーションや暗号化技術には質の高い乱数列が必要とされる。 The random number sequence is a sequence of random numbers that cannot be predicted, and is an important element in calculation simulation and encryption technology. Randomness is random and unpredictable can be said to be a good random number, and a high-quality random number sequence is required for calculation simulation and encryption technology.
乱数列を発生する方法は、計算アルゴリズムを利用したものと物理現象を利用したものがある。計算アルゴリズムを利用する方法は、計算機を利用して手軽に乱数を発生することができるメリットがあるが、規則性が生じてしまうため、乱数としての質が悪い。計算アルゴリズムを利用する方法で生成される乱数は、擬似乱数と称される。擬似乱数は精密な計算アルゴリズムを利用すれば質は高くなるが、それだけ計算機の高い能力が必要とされる。 There are two methods for generating a random number sequence, one using a calculation algorithm and the other using a physical phenomenon. A method using a calculation algorithm has an advantage that a random number can be easily generated using a computer, but regularity is generated, so that the quality as a random number is poor. A random number generated by a method using a calculation algorithm is called a pseudo-random number. The quality of pseudo-random numbers increases if a precise calculation algorithm is used, but the computer must have a higher capacity.
物理現象を利用する方法は、放射性崩壊、宇宙線、抵抗やダイオードのノイズといった本質的にランダムな現象を利用したもので、質の良い乱数を発生することができる。この物理現象を利用する方法で生成される乱数は、物理乱数と称される。しかし、物理乱数は、それらの信号を計算機で利用できるような信号に変換する回路が必要となる。例えば、ダイオードのノイズを利用する場合、信号増幅器、アナログ−デジタル変換回路や閾値素子などが必要となる。そのため、物理乱数自体は高品質な乱数を発生していても、回路処理された信号が質の良い乱数であることは保障されない。更に高速な乱数発生を試みても回路の性能に律則されてしまう。このような乱数の質以外にも、回路全体の消費電力やサイズが大きくなるという利用上のデメリットもある。 The method using physical phenomena uses essentially random phenomena such as radioactive decay, cosmic rays, resistance and noise of diodes, and can generate high-quality random numbers. A random number generated by a method using this physical phenomenon is called a physical random number. However, the physical random number requires a circuit for converting those signals into signals that can be used by a computer. For example, when using diode noise, a signal amplifier, an analog-digital conversion circuit, a threshold element, and the like are required. Therefore, even if the physical random number itself generates a high-quality random number, it is not guaranteed that the circuit-processed signal is a good-quality random number. Even if an attempt is made to generate a random number at a higher speed, the performance of the circuit is restricted. In addition to the quality of such random numbers, there is a disadvantage in use that the power consumption and size of the entire circuit is increased.
これらの物理乱数のデメリットを解決する素子として、単一電子を利用した素子が報告されている(例えば非特許文献1参照)。図19(A)は非特許文献1に開示された乱数発生素子の平面図、図19(B)は図19(A)のA−A’線断面図、図19(C)は乱数発生素子のA−A’線に沿った方向のエネルギ−バンド図、図19(D)は乱数発生素子の電気的特性である伝導チャネル抵抗の時間変化を示す図である。図19(A)〜図19(D)において、100は絶縁体層、101は半導体層、102は伝導チャネル、103はエネルギーポケット、104は伝導チャネル102のポテンシャル、105はエネルギーポケット103のポテンシャル、106は電子、R1はエネルギーポケット103に電子106がないときの伝導チャネル抵抗、R2はエネルギーポケット103に電子106があるときの伝導チャネル抵抗である。
As an element for solving the disadvantages of these physical random numbers, an element using a single electron has been reported (for example, see Non-Patent Document 1). 19A is a plan view of the random number generator disclosed in
非特許文献1に開示された乱数発生素子は、図19(A)、図19(B)のように絶縁体層100上に凸凹な表面の半導体層101を有する素子で、電子106が流れる微小な伝導チャネル102が半導体層101にランダムに形成される。また、伝導チャネル102の近くに単一の電子106をトラップするエネルギーポケット103も形成される。エネルギーポケット103が伝導チャネル102に隣接しているとき、図19(C)に示すように伝導チャネル102からエネルギーポケット103に電子106が出入りするため、図19(D)に示すように伝導チャネル102の抵抗が変化し、その変化を乱数として利用することができる。単一電子がエネルギーポケット103に出入りするタイミングは完全にランダムなので、質の高い乱数を発生することができる。また、素子構造もシンプルなので、乱数発生素子の消費電力やサイズを小さくすることが可能となる。
The random number generating element disclosed in Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に開示された乱数発生素子では、伝導チャネルやエネルギーポケットをランダムに形成する必要があるので、素子作製の制御性に難があるという問題点があった。また、乱数生成の制御や高速動作が難しいという問題点があった。以上のように、非特許文献1に開示された乱数発生素子では、単一電子のランダムな振る舞いを乱数として利用することで高品質な乱数を発生することが可能となるが、素子作製の容易さや、乱数生成の高制御性、高速動作が求められている。
However, the random number generating element disclosed in Non-Patent
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、素子作製の容易さや乱数生成の高制御性、高速動作が実現可能な乱数発生素子および乱数発生方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to provide a random number generation element and a random number generation method capable of realizing ease of element fabrication, high controllability of random number generation, and high-speed operation. The purpose is to do.
本発明の乱数発生素子は、細線チャネルを有すると共に1つのゲートを有する第1の電界効果トランジスタと、細線チャネルを有すると共に前記第1の電界効果トランジスタのゲートとは別に形成された1つのゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、この第2の電界効果トランジスタの細線チャネルと接続され、かつ前記第1の電界効果トランジスタの細線チャネルと容量を介して接続された導体からなる電荷蓄積部と、前記第1の電界効果トランジスタの出力を微分する微分回路と、この微分回路の出力をクロック入力とするフリップフロップとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の乱数発生素子は、細線チャネルを有すると共に1つのゲートを有する第1の電界効果トランジスタと、真性半導体からなる細線チャネルを有すると共に前記第1の電界効果トランジスタのゲートとは別に形成された2つのゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、この第2の電界効果トランジスタの細線チャネルと接続され、かつ前記第1の電界効果トランジスタの細線チャネルと容量を介して接続された導体からなる電荷蓄積部と、前記第1の電界効果トランジスタの出力を微分する微分回路と、この微分回路の出力をクロック入力とするフリップフロップとを備えることを特徴とするものである。
従来の乱数発生素子と異なる点は、FETを利用して素電荷の動きを制御および検出する点、既存のFET作製技術を利用できる点、それによる高制御性や、高速動作化が可能となる点、素子構造が簡単である点、である。
The random number generator of the present invention includes a first field effect transistor having a thin line channel and one gate, and a gate having a thin line channel and formed separately from the gate of the first field effect transistor. A second field effect transistor having a charge storage section connected to the thin line channel of the second field effect transistor and made of a conductor connected to the thin line channel of the first field effect transistor via a capacitor ; A differentiation circuit for differentiating the output of the first field effect transistor, and a flip-flop having the output of the differentiation circuit as a clock input are provided.
The random number generating element of the present invention is formed separately from a first field effect transistor having a thin line channel and one gate, and having a thin line channel made of an intrinsic semiconductor and the gate of the first field effect transistor. And a second field effect transistor having two gates, and a conductor connected to the thin line channel of the second field effect transistor and connected to the thin line channel of the first field effect transistor via a capacitor. And a differential circuit for differentiating the output of the first field effect transistor, and a flip-flop using the output of the differential circuit as a clock input .
The difference from the conventional random number generator is that it uses FETs to control and detect the movement of elementary charges, can use existing FET fabrication technology, and it enables high controllability and high-speed operation. The point is that the element structure is simple.
本発明によれば、ナノメートルオーダーの微細な第1のFETと第2のFETを利用し、第2のFETのゲート電圧制御によって電荷蓄積部に素電荷を注入し、電荷蓄積部にランダムに出入りする素電荷を第1のFETの電気的特性の変化で検出することで、素電荷が電荷蓄積部に出入りするタイミングを乱数列とすることができ、高度にランダムな(高品質な)乱数を発生することができる。また、本発明では、乱数発生のスピードも容易に制御することができ、高速動作も可能となる。さらに、本発明では、乱数発生素子の作製技術や材料などにシリコントランジスタと同じものが使えるので、作製が容易であるだけでなく、低消費電力化、電子放出素子の縮小化、駆動素子との混載化が期待できる。 According to the present invention, the first FET and the second FET of nanometer order are used, the elementary charge is injected into the charge storage unit by the gate voltage control of the second FET, and the charge storage unit is randomly selected. By detecting the incoming and outgoing elementary charges based on the change in the electrical characteristics of the first FET, the timing at which the elementary charges enter and exit the charge storage unit can be made a random number sequence, and a highly random (high quality) random number Can be generated. Further, in the present invention, the speed of random number generation can be easily controlled, and high-speed operation is also possible. Further, in the present invention, since the same technology as the silicon transistor can be used for the production technique and material of the random number generation element, not only the production is easy, but also low power consumption, reduction of the electron-emitting device, Expected to be consolidated.
また、本発明では、2つのゲートを持つ第2のFETを利用することにより、第2のFETの細線チャネルに真性半導体を使用することができるので、電荷蓄積部に出入りする素電荷の動きをより緻密に制御することができる。 Further, in the present invention, by using a second FET having two gates, an intrinsic semiconductor can be used for the thin-line channel of the second FET. It can be controlled more precisely.
また、本発明では、第1のFETの出力を微分する微分回路と、この微分回路の出力をクロック入力とするフリップフロップとを設けることにより、2値の乱数を発生することが可能となる。 In the present invention, a binary random number can be generated by providing a differentiating circuit for differentiating the output of the first FET and a flip-flop using the output of the differentiating circuit as a clock input.
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る乱数発生素子の構成を示す等価回路図、図2(A)は図1の乱数発生素子の平面図、図2(B)は図2(A)のA−A’線断面図、図2(C)は図2(A)のB−B’線断面図である。なお、図2(A)では、絶縁膜の下のコントロールゲートや細線チャネル等を透視している。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing the configuration of a random number generation element according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2A is a plan view of the random number generation element of FIG. 1, and FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 2A, and FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG. Note that in FIG. 2A, the control gate, the thin channel, and the like under the insulating film are seen through.
本実施の形態の乱数発生素子は、電界効果トランジスタ(以下、FETとする)1と、FET2と、FET2のソース電極S2に接続された電子溜め部3と、FET2のドレイン電極D2に接続され、かつFET1の細線チャネルCH1と容量的に接続された電荷蓄積部4とを有する。本実施の形態では、電荷蓄積部4に蓄積される電荷やFET1,2に流れる電荷を電子としているが、後述する第9の実施の形態のように印加する電圧の正負を反転させて、蓄積される電荷や流れる電荷として正孔を用いても良い。
The random number generating element of the present embodiment is connected to a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) 1,
図1に示した回路構成は、図2(A)〜図2(C)に示すように、例えばシリコン基板8と、シリコン基板8上の酸化シリコン等からなる絶縁膜9と、絶縁膜9上のシリコン膜とからなるSOI(Silicon On Insulator)基板を利用して作製される。FET1の細線チャネルCH1、FET1のドレイン電極D1、FET1のソース電極S1、電子溜め部3、FET2の細線チャネルCH2、FET2のドレイン電極D2、FET2のソース電極S2および電荷蓄積部4は、絶縁膜9上のシリコン膜を加工して形成される。FET1の細線チャネルCH1とドレイン電極D1とソース電極S1とは一体成形され、電子溜め部3とFET2のソース電極S2と細線チャネルCH2とドレイン電極D2と電荷蓄積部4とは一体成形される。
The circuit configuration shown in FIG. 1 includes, for example, a
FET1の細線チャネルCH1の上部には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜10を挟んでゲート電極(ここではコントロールゲートCG1と呼ぶ)が形成される。なお、コントロールゲートCG1をFET1の上部に形成することは必須ではなく、FET1と同一平面内に形成してもよい。
FET2の細線チャネルCH2の上部には、絶縁膜10を挟んでFET2のゲート電極(ここではコントロールゲートCG2と呼ぶ)が形成される。コントロールゲートCG1,CG2は、金属、アモルファスシリコン、ポリシリコンなどの導体を用いて形成すればよい。電荷蓄積部4は、FET2の細線チャネルCH2と一体の細線シリコンのうち、コントロールゲートCG2の位置からFET1の細線チャネルCH1側に突き出た部分に形成される。
A gate electrode (referred to herein as a control gate CG1) is formed on the thin line channel CH1 of the
A gate electrode (referred to herein as a control gate CG2) of the
電荷蓄積部4は、絶縁膜10によって構成される容量5を介してFET1の細線チャネルCH1と接続される。また、コントロールゲートCG1は、絶縁膜10によって構成される容量6を介してFET1の細線チャネルCH1と接続され、さらに絶縁膜10によって構成される容量7を介して電荷蓄積部4と接続される。
The
電荷蓄積部4およびFET2の設計サイズとしては、電荷蓄積部4および細線チャネルCH2の幅(図2(C)左右方向)と厚さ(図2(C)上下方向)が共に10nm以上60nm以下であることが望ましい。また、細線チャネルCH2と一体の細線シリコンがコントロールゲートCG2からFET1の細線チャネルCH1側に突き出た部分の長さ(図2(B)においてCG2の右端から電荷蓄積部4の右端までの長さ)は、10nm以上1μm以下である。
The design sizes of the
コントロールゲートCG2の断面寸法は、幅(図2(B)左右方向)と厚さ(図2(B)上下方向)が共に数十nmである。コントロールゲートCG2は、図2(C)に示すようにFET2の細線チャネルCH2を囲むように形成されている場合もある。細線チャネルCH2を囲むようにすることで、FET2を利用した素電荷の動きの制御を効果的に行うことができるようになる。ここで、素電荷とは、1個の電子または正孔を意味する。
As for the cross-sectional dimension of the control gate CG2, the width (FIG. 2B, left-right direction) and thickness (FIG. 2B, vertical direction) are both several tens of nm. As shown in FIG. 2C, the control gate CG2 may be formed so as to surround the thin line channel CH2 of the FET2. By surrounding the thin-line channel CH2, the movement of elementary charges using the
FET1の設計サイズとしては、細線チャネルCH1の幅(図2(B)左右方向)と厚さ(図2(B)上下方向)が共に10nm以上60nm以下、細線チャネルCH1の長さ(図2(A)上下方向)が10nm以上500nm以下であることが望ましい。ただし、このFET1のサイズは必須ではない。FET1の細線チャネルCH1と電荷蓄積部4の距離は、1nm以上100nm以下が望ましい。
The design size of the
次に、FET1を利用した、電荷蓄積部4に蓄積される電子の検出方法を説明する。電子は後述する方法で電子溜め部3から電荷蓄積部4にFET2を通って蓄積され、この電子の蓄積に伴い、FET1のドレイン電流Idの特性は、図3のようにコントロールゲートCG1の電圧Vcg1に対して正の方向に電荷量に応じてシフトする。このとき、コントロールゲートCG1の電圧Vcg1を固定してドレイン電流Idを図示しない検出回路で検出すると、電子数に応じて電流が変わるので、電荷蓄積部4内の電子数を検出することができる。
Next, a method for detecting electrons accumulated in the
図3から明らかなように、コントロールゲートCG1に印加する電圧Vcg1によって、電子数とFET1を流れる検出電流との関係を調整することができる。正確に電子数を検出するには、FET1のトランスコンダクタンス(Id/Vcg1の微分値)が大きくなる電圧Vcg1に設定すればよい。コントロールゲートCG1を用いずにシリコン細線の形状やその中にドープする不純物の濃度によって、電子数とFET1を流れる検出電流との関係を調整することもできる。
As is clear from FIG. 3, the relationship between the number of electrons and the detected current flowing through the
次に、単一電子が電荷蓄積部4に出入りする原理を説明する。図4(A)は乱数発生素子の平面図、図4(B)〜図4(D)は電子が電荷蓄積部4に出入りする様子を示す図、図5は乱数発生素子の乱数発生特性である、FET1のドレイン電流Idの時間変化を示す図である。なお、図4(B)〜図4(C)は図4(A)のA−A’線に沿った方向の電子の振る舞いを示し、縦軸はエネルギーを示している。40は電子、41はエネルギーバリアを示している。
Next, the principle that single electrons enter and exit the
図4(A)に示すように、電荷蓄積部4は、FET2の細線チャネルCH2に接続された構造となる。
図示しないゲート電圧印加回路からコントロールゲートCG2に印加する電圧Vcg2によってFET2をオフの状態にすると、コントロールゲートCG2下部のFET2の細線チャネルCH2には、図4(B)に示すようにエネルギーバリア41が形成される。これにより、電荷蓄積部4と電子溜め部3とが電気的に切断された状態となる。
As shown in FIG. 4A, the
When the
ゲート電圧印加回路からコントロールゲートCG2に印加する電圧Vcg2によってFET2をオンの状態にすると、電子40が電子溜め部3から電荷蓄積部4に供給され、電子溜め部3と電荷蓄積部4のフェルミ・エネルギーが揃う。次に、もう一度FET2をオフの状態にすると、電荷蓄積部4と電子溜め部3は電気的に切断され、電荷蓄積部4に電子40が蓄積される。このとき、電子40が周りの熱エネルギーによって細線チャネルCH2のエネルギーバリア41を越えて電荷蓄積部4と電子溜め部3を往復する。この電子40の往復運動は、完全にランダムなタイミングで起こるので、電荷蓄積部4の電子数はランダムに変化することになる。このランダムな電子数の時間変化を上記で説明したようにFET1で検出することにより、本実施の形態の素子は乱数発生素子として機能する。
When the
電荷蓄積部4の電子数の変化量は単一の電子が電荷蓄積部4に蓄積されたときのエネルギー変化量Ecと熱エネルギーEtで決まり、おおよそ1+4Et/Ec程度となる。なお、Ecはe2/2C(eは素電荷量、Cは電荷蓄積部4の全静電容量)、EtはkT(kはボルツマン常数、Tは絶対温度)となる。よって、電荷蓄積部4の全静電容量Cを構造的に制御することで、電子数変化量を制御することができる。また、コントロールゲートCG2に印加する電圧Vcg2によって形成する、細線チャネルCH2のエネルギーバリア41の高さによっても、電子数変化量を制御することができる。電子数変化量は1であると回路構成を簡単にできるので望ましいが、必須ではない。
The amount of change in the number of electrons in the
図5に本実施の形態の乱数発生素子の動作例を示す。図5によれば、FET1のドレイン電流Idが2値で変化しており、これは単一の電子が電荷蓄積部4を出入りしていることを意味している。また、電子が電荷蓄積部4に出入りするタイミングがランダムであることから、乱数発生素子として動作していることが分かる。電子が電荷蓄積部4に出入りするタイミングは、コントロールゲートCG2を利用して細線チャネルCH2のエネルギーバリア41を低くすることで早くすることが可能なので、その制御性や高速動作化が容易である。
FIG. 5 shows an operation example of the random number generation element of this embodiment. According to FIG. 5, the drain current I d of the FET 1 changes in a binary manner, which means that a single electron enters and exits the
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図6は本発明の第2の実施の形態に係る乱数発生素子の構成を示す回路図である。本実施の形態の乱数発生素子は、第1の実施の形態の乱数発生素子に対して、電流源11と、1つの入力端子がFET1のソース電極S1と接続され、別の入力端子が電流源11と接続された電流コンパレータ12とを追加したものである。図7(A)はFET1のドレイン電流Idの時間変化を示す図、図7(B)は乱数発生特性である、電流コンパレータ12の出力Outの時間変化を示す図である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a random number generating element according to the second embodiment of the present invention. The random number generation element according to the present embodiment is different from the random number generation element according to the first embodiment in that the current source 11, one input terminal is connected to the source electrode S1 of the FET1, and another input terminal is the current source. 11 and a
第1の実施の形態で説明した方法で電荷蓄積部4へ電子を出入りさせたとき、図7(A)のように複数の電子が電荷蓄積部4に出入りする場合がある。電荷蓄積部4に出入りする電子数が奇数のとき、FET1のドレイン電流Idの平均値をIcとすると、電流源11は電流コンパレータ12に対して、基準信号となる電流Icを供給する。電流コンパレータ12は、FET1のドレイン電流Idと電流源11の電流Icとを比較し、Id>Icのとき「H」レベルの出力Outを出力し、Id<Icのとき「L」レベルの出力Outを出力する。こうして、図7(B)に示すように、電流コンパレータ12の出力Outが2値の乱数を発生することが可能となる。
When electrons are moved in and out of the
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図8は本発明の第3の実施の形態に係る乱数発生素子の構成を示す回路図である。本実施の形態の乱数発生素子は、第1の実施の形態の乱数発生素子に対して、電流源13,14と、1つの入力端子がFET1のソース電極S1と接続され、別の入力端子が電流源13と接続され、さらに別の入力端子が電流源14と接続された電流コンパレータ15とを追加したものである。図9(A)はFET1のドレイン電流Idの時間変化を示す図、図9(B)は電流コンパレータ15の内部出力値Outc1の時間変化を示す図、図9(C)は電流コンパレータ15の内部出力値Outc2の時間変化を示す図、図9(D)は乱数発生特性である、電流コンパレータ15の出力Outの時間変化を示す図である。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a random number generating element according to the third embodiment of the present invention. The random number generation element according to the present embodiment is different from the random number generation element according to the first embodiment in that the
第1の実施の形態で説明した方法で電荷蓄積部4へ電子を出入りさせたとき、図9(A)のように偶数個の電子が電荷蓄積部4に出入りする場合がある。電流源13は、電荷蓄積部4に出入りする電子数が偶数のときに電子1個の出入りで変化する電流量をδIdとしたとき、0<IC1−Id<δIdを満たす基準信号となる電流IC1を電流コンパレータ15に対して供給する。また、電流源14は、0<Id−Ic2<δIdを満たす基準信号となる電流Ic2を電流コンパレータ15に対して供給する。
When electrons are moved in and out of the
電流コンパレータ15は、FET1のドレイン電流Idと電流源13の電流IC1とを比較し、Id>IC1のとき「H」レベルとなり、Id<IC1のとき「L」レベルとなる内部出力値Outc1を生成し(図9(B))、またFET1のドレイン電流Idと電流源14の電流Ic2とを比較し、Id>Ic2のとき「H」レベルとなり、Id<Ic2のとき「L」レベルとなる内部出力値Outc2を生成し(図9(C))、内部出力値Outc1とOutc2との排他的論理和(XOR)の結果を出力Outとして出力する。このようにして、図9(D)に示すように、電流コンパレータ15の出力Outが2値の乱数を発生することが可能となる。
The
なお、第2、第3の実施の形態では、電流コンパレータ12,15を利用しているが、FET1のドレイン電流Idを電圧信号に変換し、電流源11,13,14を電圧源に置き換えることで、電流コンパレータ12,15の代わりに電圧コンパレータを利用して同様の動作を実現することができる。
Although the
上述したダイオードのノイズなどを利用する従来技術においてもコンパレータを利用するが、それらのノイズは、寄与する電子数が極めて多く、ノイズ振幅の分布(ボルツマン分布)が広く広がっているため、質の高い乱数を得ることが難しい。これに対して、第2、第3の実施の形態では、電荷蓄積部4に出入りする電子の数が少なく、また電子数が多いほど、電荷蓄積部4に出入りする頻度が急激に減少するので、高品質な乱数を得ることができる。
Although the comparators are also used in the prior art using the above-described diode noise, the noise has a high quality because the number of contributing electrons is extremely large and the noise amplitude distribution (Boltzmann distribution) is widespread. It is difficult to obtain random numbers. On the other hand, in the second and third embodiments, the number of electrons entering and exiting the
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。図10は本発明の第4の実施の形態に係る乱数発生素子の構成を示す回路図である。本実施の形態の乱数発生素子は、第1の実施の形態の乱数発生素子に対して、入力端子がFET1のソース電極S1と接続された微分回路16と、微分回路16の出力をクロック入力とするDフリップフロップ17とを追加したものである。図11(A)はFET1のドレイン電流Idの時間変化を示す図、図11(B)は微分回路16の出力の時間変化を示す図、図11(C)は乱数発生特性である、Dフリップフロップ17の出力Outの時間変化を示す図である。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a random number generating element according to the fourth embodiment of the present invention. The random number generation element according to the present embodiment is different from the random number generation element according to the first embodiment in that the
FET1のソース電極S1に、FET1のドレイン電流Idの時間微分に比例した信号を出力する微分回路16を接続すると、微分回路16は、図11(B)に示したようにドレイン電流Idが増えた瞬間に正の信号を出力し、ドレイン電流Idが減少した瞬間に負の信号を出力する。
When a differentiating
微分回路16の出力を図10のようにDフリップフロップ17のクロック入力とし、Dフリップフロップ17の出力バーQを入力Dに接続すると、微分回路16の出力が正になる瞬間にDフリップフロップ17の出力バーQが反転する。このようにして、図11(C)に示すように、Dフリップフロップ17の出力バーQは、2値の乱数を発生することになる。
When the output of the
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。図12は本発明の第5の実施の形態に係る乱数発生素子の構成を示す回路図である。本実施の形態の乱数発生素子は、第4の実施の形態の乱数発生素子に対して、入力端子が微分回路16の出力に接続されたNOT回路18と、NOT回路18の出力をクロック入力とするDフリップフロップ19とを追加したものである。図13(A)はFET1のドレイン電流Idの時間変化を示す図、図13(B)は微分回路16の出力の時間変化を示す図、図13(C)は乱数発生特性である、Dフリップフロップ19の出力Outの時間変化を示す図である。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of a random number generating element according to the fifth embodiment of the present invention. The random number generation element of the present embodiment is different from the random number generation element of the fourth embodiment in that a NOT circuit 18 whose input terminal is connected to the output of the
本実施の形態では、Dフリップフロップ19を追加し、微分回路16の出力をNOT回路18で論理反転した信号をDフリップフロップ19のクロック入力とし、Dフリップフロップ17の入力Dおよび出力バーQとDフリップフロップ19の入力Dおよび出力バーQとを接続している。これにより、微分回路16の出力が変化する瞬間に、すなわちFET1のドレイン電流Idが変化する瞬間にDフリップフロップ19の出力バーQが反転する(図13(C))。こうして、本実施の形態では、動作速度を2倍にすることができると共に、質の高い乱数の発生を保証することができる。
In the present embodiment, a D flip-
[第6の実施の形態]
次に、本発明の第6の実施の形態として、電荷蓄積部4に多数の電子が入る場合を利用した乱数発生の原理を図14(A)〜図14(D)を用いて説明する。本実施の形態においても、乱数発生素子の構成は第1の実施の形態と同じである。
まず第1の実施の形態と同様に、FET2を利用して電子溜め部3と電荷蓄積部4を電気的に切断する(図14(A))。この時、電荷蓄積部4内の電子数はゼロが望ましいが、必須ではない。
[Sixth Embodiment]
Next, as a sixth embodiment of the present invention, the principle of random number generation using the case where a large number of electrons enter the
First, as in the first embodiment, the
次に、図示しないゲート電圧印加回路からコントロールゲートCG2に印加する電圧Vcg2によって細線チャネルCH2のエネルギーバリア41を下げると、図14(B)に示すように熱エネルギーによって電子40が電子溜め部3から電荷蓄積部4に入る。電子40は、電荷蓄積部4のフェルミエネルギーが電子溜め部3のフェルミエネルギーと同じ程度になるまで次々に溜まる(図14(C))。そして、図14(D)に示すように電荷蓄積部4に電子40が一杯に溜まったときに、コントロールゲートCG2に印加する電圧Vcg2によってFET2をオンの状態にし、電子溜め部3の電圧を増やすことで電荷蓄積部4の電子40を追い出すことができる。この電子40が電荷蓄積部4に入る様子をFET1を利用して検出する。
Next, when the
その動作結果の一例を図15に示す。図15において、150は細線チャネルCH2のエネルギーバリア41を高くして電子を電荷蓄積部4に入り難くしたときの特性、151はエネルギーバリア41を低くして電子を電荷蓄積部4に入り易くしたときの特性を示している。図15によれば、FET1のドレイン電流Idが同じ変化量で減少しており、これは単一の電子が電荷蓄積部4に入っていることを意味する。電子が入るタイミングδtは常にランダムで、その平均値はコントロールゲートCG2で形成するエネルギーバリアの高さで制御できる(図15の2本の線)。
An example of the operation result is shown in FIG. In FIG. 15, 150 is a characteristic when the
[第7の実施の形態]
次に、本発明の第7の実施の形態について説明する。図16は本発明の第7の実施の形態に係る乱数発生素子の構成を示す回路図である。本実施の形態の乱数発生素子は、第6の実施の形態の乱数発生素子に対して、入力端子がFET1のソース電極S1と接続された微分回路16と、入力端子が微分回路16の出力に接続されたNOT回路20と、NOT回路20の出力をクロック入力とするDフリップフロップ17とを追加したものである。
[Seventh Embodiment]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a random number generation element according to the seventh embodiment of the present invention. The random number generation element according to the present embodiment is different from the random number generation element according to the sixth embodiment in that the
FET1の出力に、第4の実施の形態のように微分回路16とDフリップフロップ17とを組み合わせることで、Dフリップフロップ17の出力Outが2値の乱数を発生することが可能となる。なお、NOT回路20は必須ではない。
By combining the
[第8の実施の形態]
次に、本発明の第8の実施の形態について説明する。図17は本発明の第8の実施の形態に係る乱数発生素子の構成を示す等価回路図、図18(A)は図17の乱数発生素子の平面図、図18(B)は図18(A)のA−A’線断面図、図18(C)は図18(A)のB−B’線断面図である。なお、図18(A)では、絶縁膜の下のコントロールゲートや細線チャネル等を透視している。図17において、21は絶縁膜10によって構成される容量である。
[Eighth Embodiment]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. FIG. 17 is an equivalent circuit diagram showing the configuration of the random number generation element according to the eighth embodiment of the present invention, FIG. 18A is a plan view of the random number generation element of FIG. 17, and FIG. 18A is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 18A, and FIG. 18C is a cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG. Note that in FIG. 18A, the control gate, the thin line channel, and the like under the insulating film are seen through. In FIG. 17, reference numeral 21 denotes a capacitor constituted by the insulating
本実施の形態は、第1〜第7の実施の形態の乱数発生素子において、FET2に更に1つのゲート電極を追加した場合を示すものである。本実施の形態では、FET2の細線チャネルCH2およびコントロールゲートCG2の上にコントロールゲートCG3を形成し、コントロールゲートCG3の下部にあるFET2の細線チャネルCH2を真性半導体とする。
This embodiment shows a case where one gate electrode is further added to the
図示しないゲート電圧印加回路からコントロールゲートCG3に正の電圧Vcg3を印加することにより、真性半導体チャネルCH2を反転させることができるので、第1〜第7の実施の形態と同様の動作が可能となる。本実施の形態では、FET2の細線チャネルCH2を真性半導体とすることで、電子溜め部3と電荷蓄積部4の間を出入りする素電荷の動きを、より緻密に制御することができる。また、コントロールゲートCG3とCG1を同一のゲートで共有することもできる。
By applying a positive voltage V cg3 to the control gate CG3 from a gate voltage application circuit (not shown), the intrinsic semiconductor channel CH2 can be inverted, so that the same operation as in the first to seventh embodiments is possible. Become. In the present embodiment, by using the thin-line channel CH2 of the
なお、図17では第1の実施の形態に対応する構成のみを示しているが、図17の構成に第2〜第7の実施の形態で付加した回路を追加することにより、第2〜第7の実施の形態と同様の構成および動作を実現できることは言うまでもない。 FIG. 17 shows only the configuration corresponding to the first embodiment. However, by adding the circuit added in the second to seventh embodiments to the configuration of FIG. It goes without saying that the same configuration and operation as in the seventh embodiment can be realized.
[第9の実施の形態]
第1〜第8の実施の形態において、電荷蓄積部4に蓄積される電荷やFET1,2に流れる電荷として正孔を用いてもよい。電荷として正孔を用いるには、FET1,2に印加する電圧の正負を反転させればよい。
なお、第1〜第9の実施の形態では、電荷蓄積部4に例えばシリコンからなる半導体を用いたが、金属などの導体を用いてもよい。
[Ninth Embodiment]
In the first to eighth embodiments, holes may be used as the charge accumulated in the
In the first to ninth embodiments, a semiconductor made of silicon, for example, is used for the
本発明は、素電荷のランダムな振る舞いを利用した乱数発生技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a random number generation technique using a random behavior of elementary charges.
1,2…電界効果トランジスタ、3…電子溜め部、4…電荷蓄積部、5〜7,21…容量、8…シリコン基板、9,10…絶縁膜、11,13,14…電流源、12,15…電流コンパレータ、16…微分回路、17,19…Dフリップフロップ、18,20…NOT回路、CH1,CH2…細線チャネル、CG1,CG2,CG3…コントロールゲート、D1,D2…ドレイン電極、S1,S2…ソース電極。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
細線チャネルを有すると共に前記第1の電界効果トランジスタのゲートとは別に形成された1つのゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、
この第2の電界効果トランジスタの細線チャネルと接続され、かつ前記第1の電界効果トランジスタの細線チャネルと容量を介して接続された導体からなる電荷蓄積部と、
前記第1の電界効果トランジスタの出力を微分する微分回路と、
この微分回路の出力をクロック入力とするフリップフロップとを備えることを特徴とする乱数発生素子。 A first field effect transistor having a thin wire channel and having one gate;
A second field effect transistor having a thin line channel and having one gate formed separately from the gate of the first field effect transistor;
A charge accumulating portion comprising a conductor connected to the fine line channel of the second field effect transistor and connected to the fine line channel of the first field effect transistor via a capacitor ;
A differentiating circuit for differentiating the output of the first field effect transistor;
A random number generating element comprising: a flip-flop having an output of the differentiating circuit as a clock input .
真性半導体からなる細線チャネルを有すると共に前記第1の電界効果トランジスタのゲートとは別に形成された2つのゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、
この第2の電界効果トランジスタの細線チャネルと接続され、かつ前記第1の電界効果トランジスタの細線チャネルと容量を介して接続された導体からなる電荷蓄積部と、
前記第1の電界効果トランジスタの出力を微分する微分回路と、
この微分回路の出力をクロック入力とするフリップフロップとを備えることを特徴とする乱数発生素子。
A first field effect transistor having a thin wire channel and having one gate;
A second field effect transistor having a thin line channel made of an intrinsic semiconductor and having two gates formed separately from the gate of the first field effect transistor;
A charge accumulating portion comprising a conductor connected to the fine line channel of the second field effect transistor and connected to the fine line channel of the first field effect transistor via a capacitor ;
A differentiating circuit for differentiating the output of the first field effect transistor;
A random number generating element comprising: a flip-flop having an output of the differentiating circuit as a clock input .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008109153A JP5128355B2 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Random number generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008109153A JP5128355B2 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Random number generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009259097A JP2009259097A (en) | 2009-11-05 |
| JP5128355B2 true JP5128355B2 (en) | 2013-01-23 |
Family
ID=41386422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008109153A Expired - Fee Related JP5128355B2 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Random number generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5128355B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102940673B1 (en) * | 2024-07-19 | 2026-03-18 | 고려대학교 산학협력단 | True random number generator capable of encrypting information using gated diode |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3974429B2 (en) * | 2002-02-28 | 2007-09-12 | 株式会社東芝 | Random number generator |
| JP3641255B2 (en) * | 2002-06-24 | 2005-04-20 | 株式会社東芝 | Random number generator |
| JP4602912B2 (en) * | 2006-01-13 | 2010-12-22 | 日本電信電話株式会社 | Gain cell memory circuit and driving method thereof |
-
2008
- 2008-04-18 JP JP2008109153A patent/JP5128355B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2009259097A (en) | 2009-11-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ono et al. | Manipulation and detection of single electrons for future information processing | |
| US10734531B2 (en) | Two-dimensional electrostrictive field effect transistor (2D-EFET) | |
| KR102425131B1 (en) | Graphene Transistor and Ternary Logic Device using the same | |
| US8307022B2 (en) | Random number generating device | |
| US20070296025A1 (en) | Random number generating device | |
| Yao et al. | Novel reconfigurable field-effect transistor with asymmetric spacer engineering at drain side | |
| Karmakar et al. | Fabrication and circuit modeling of NMOS inverter based on quantum dot gate field-effect transistors | |
| Dharmireddy et al. | Design of low voltage-power: negative capacitance charge plasma FinTFET for AIOT data acquisition blocks | |
| JP5128355B2 (en) | Random number generator | |
| Li et al. | Analysis of metal work-function modulation effect in reconfigurable field-effect transistor | |
| US6605829B2 (en) | Semiconductor device | |
| Anandan et al. | Characterization of Flicker noise in Dual Material Gate Silicon Nanowire Transistors | |
| Lee et al. | Multiple logic functions from extended blockade region in a silicon quantum-dot transistor | |
| Nishiguchi et al. | Stochastic data processing circuit based on single electrons using nanoscale field-effect transistors | |
| WO2024038577A1 (en) | Rectifier | |
| Khaliq et al. | A destructive electrical breakdown study of metal-oxide-semiconductor device under accumulation and pre-avalanche modes | |
| Nishiguchi et al. | Single-electron circuit for stochastic data processing using nano-MOSFETs | |
| Sanaullah et al. | Optimization of ON current in multilayer Molybdenum Disulfide (MoS 2) based tunnel field effect transistor | |
| Praveen et al. | Analysis of gaa tunnel fet using matlab | |
| CN1240134C (en) | Single electron multi-value memory device | |
| Ho et al. | Analysis of anomalous traps measured by charge pumping technique in HfO2/metal gate n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors | |
| Wang et al. | Reconfigurable threshold voltage and excellent anti-single-event transient performance in the HfO2-based ferroelectric FlexFET | |
| Yasuda et al. | Ultra-small physical random number generators based on Si nanodevices for security systems and comparison to other large physical random number generators | |
| Zhou et al. | Tree-type feedback field effect transistor combining stacked Si nanosheets with SiGe interbridges to improve ON-state current | |
| Kumar et al. | Charge-Plasma Induced Intrinsic Channel SOI TriGate MOSFET: Device Realization and Evaluation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100713 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20111118 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20111118 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120313 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120507 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120814 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121005 |
|
| A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20121015 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121030 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121031 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151109 Year of fee payment: 3 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |