CC BY
0ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
Научная статья УДК 621.382
https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-32-39 EDN: BULUKN
Исследование зависимости амплитудных характеристик шумовых диодов от температуры
А. О. Зеневич1, О. В. Кочергина1, В. В. Буслюк2'3, Д. Н. Федосюк2'3, Д. А. Лущий2'3
1 Белорусская государственная академия связи, г. Минск, Беларусь 2Брестский государственный технический университет, г. Брест, Беларусь
3ОАО «Цветотрон», г. Брест, Беларусь * [email protected]
Аннотация. Для построения генераторов случайных числовых последовательностей, как правило, используются полупроводниковые шумовые диоды. Одним из наиболее важных параметров шумовых диодов является амплитудное распределение выходных импульсов. Это связано с тем, что изменение амплитудного распределения в зависимости от колебаний температуры окружающей среды может привести к уменьшению скорости генерации случайной числовой последовательности, а также к появлению в ней закономерностей. В работе исследованы кремниевые шумовые диоды моделей ND102L, ND103L, ND104L. Установлено, что увеличение температуры приводит к уменьшению среднего значения амплитуды шумовых импульсов и его среднеквадратичного отклонения от температуры. Данная зависимость линейная в диапазоне температур 248-278 К, а при увеличении температуры до 308 К остается практически постоянной. Установлено, что амплитудные распределения импульсов шумовых диодов имеют ярко выраженный максимум, который с понижением температуры смещается в сторону больших значений амплитуд. С понижением температуры пик амплитудных распределений импульсов уменьшается.
Ключевые слова: шумовой диод, частота следования шумовых импульсов, амплитуда шумовых импульсов
Для цитирования: Исследование зависимости амплитудных характеристик шумовых диодов от температуры / А. О. Зеневич, О. В. Кочергина, В. В. Буслюк и др. // Изв. вузов. Электроника. 2025. Т. 30. № 1. С. 32-39. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2025-30-1-32-39. EDN: BULUKN.
© А. О. Зеневич, О. В. Кочергина, В. В. Буслюк, Д. Н. Федосюк, Д. А. Лущий, 2025
Original article
Investigation of the dependence of the amplitude characteristics
of noise diodes on temperature
A. O. Zenevich1, O. V. Kochergina1, V. V. Busliuk2'3, D. N. Fedasiuk2'3, D. A. Lushchyi2'3
1Belarusian State Academy of Communications, Minsk, Belarus
2
Brest State Technical University, Brest, Belarus 3JSC "Tsvetotron ", Brest, Belarus
Abstract. Typically, to construct random number sequence generators the semiconductor noise diodes are used. One of the most important parameters is the amplitude distribution of the output pulses of noise diodes. This is due to the fact that a change in the amplitude distribution depending on fluctuations in ambient temperature can lead to a decrease in the rate of generation of a random numerical sequence, as well as to the appearance of patterns in it. In this work, silicon noise diodes of ND102L, ND103L, and ND104L models are studied. It was found that an increase in temperature leads to a decrease in the average value of amplitude of noise pulses and its standard deviation from temperature. This dependence is linear in the temperature range of 248-278 K, and when the temperature rises to 308 K it remains almost constant. It has been established that the amplitude distributions of noise diode pulses have a pronounced maximum, which shifts toward higher amplitude values with lowering of temperature. The magnitude of this peak decreases with lowering of temperature.
Keywords, noise diode, noise pulses repetition rate, noise pulses amplitude
For citation. Zenevich А. O., Kochergina O. V., Buslyuk V. V., Fedosyuk D. N., Lus-chiy D. A. Investigation of the dependence of the amplitude characteristics of noise diodes on temperature. Proc. Univ. Electronics, 2025, vol. 30, no. 1, pp. 32-39. https,//doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-32-39.
Введение. В настоящее время генераторы случайных числовых последовательностей широко применяются в устройствах измерительной техники и криптографических системах [1-3]. Для построения подобных генераторов, как правило, используются полупроводниковые шумовые диоды. Это связано с тем, что шумовые диоды имеют небольшие габариты и низкие напряжения питания [4, 5], поэтому они легко встраиваются в электронные устройства и системы. При использовании шумовых диодов в генераторах случайных числовых последовательностей важно обеспечить стабильность параметров диодов от температуры окружающей среды [3]. Одним из наиболее важных параметров шумовых диодов является амплитудное распределение выходных импульсов, так как изменение амплитудного распределения в зависимости от колебаний температуры окружающей среды может привести к уменьшению скорости генерации случайной числовой последовательности, а также к появлению в ней закономерностей.
Цель настоящей работы - установление зависимости амплитудных распределений импульсов шумовых диодов от температуры.
Методы исследований. Исследования выполняли на экспериментальной установке, структурная схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки: ИН - источник напряжения; А - амперметр; В - вольтметр; ШД - шумовой диод; КТХ - камера тепла и холода; У - усилитель; ДИ - дискриминатор импульсов; Ч - частотомер;
АИ - анализатор импульсов; Ян - нагрузочный резистор Fig. 1. Block diagram of the experimental setup: ИН - voltage source; A - ammeter; В - voltmeter; ШД - noise diode; KTX - chamber of heat and cold; У - amplifier;
ДИ - pulse discriminator; Ч - frequency meter; АИ - pulse analyzer; Rн - load resistor
Для питания шумового диода использовали источник постоянного напряжения. Значения напряжения питания ипит шумового диода выбирали близкими к значениям напряжения лавинного пробоя ипр его р-и-перехода или незначительно превышающими их. При таких значениях ипит в р-и-переходе шумового диода происходит микроплазменный пробой, возникающий в результате попадания свободного носителя заряда, который образовался в р-и-переходе в результате термогенерации или туннелирования, в микроплазменный канал р-и-перехода. Микроплазменный канал представляет собой область р-и-перехода, где напряженность электрического поля выше по сравнению с другими его областями. Под воздействием электрического поля носители заряда получают достаточную энергию для того, чтобы вызвать локальный лавинный пробой р-и-перехода. В результате пробоя возрастает электрический ток, протекающий через шумовой диод. При этом происходит увеличение падения напряжения на сопротивлении нагрузки что приводит к уменьшению напряжения, приложенного к шумовому диоду. Минимальное значение сопротивления нагрузки R^ при котором напряжение, приложенное к шумовому диоду, становится ниже напряжения ипр, составляет 1 кОм. При таком сопротивлении нагрузки пробой прекращается и на сопротивлении Rн формируется импульс напряжения [6-9]. Поэтому в экспериментальной установке при реализации режима микроплазменного пробоя использовано сопротивление нагрузки Rн = 1 кОм.
В усилителе сформированные импульсы усиливаются, а затем подаются на амплитудный дискриминатор, который позволяет выделить импульсы над уровнем собственных шумов усилителя. Частота следования шумовых импульсов определяется частотомером. Параллельно с дискриминатором для измерения амплитудного распределения импульсов включен анализатор импульсов. Для измерения напряжения, приложенного к шумовому диоду, использовали вольтметр, протекающий через шумовой диод ток контролировали амперметром. Шумовой диод помещали в камеру тепла и холода, которая позволяет изменять температуру в диапазоне 248-308 К. Выбранный температурный диапазон обусловлен климатическими условиями эксплуатации исследуемых шумовых диодов.
В процессе исследования определяли коэффициент умножения тока: M = Ш0, где I - ток в лавинном режиме (ипит > ипр); !0 - ток в нелавинном режиме (ипит < ипр), измеренный при ипит = 5 В.
Напряжение пробоя определяли по ВАХ на основании методики, описанной в работе [10]. Поскольку исследуемые шумовые диоды имеют разные напряжения пробоя ипр, то для сравнения их характеристик использовали перенапряжение, определяемое как А и = ипит - ипр. Амплитудные распределения исследовали в диапазоне -0,01-0,01 В. Такой диапазон перенапряжений гарантированно обеспечивает наличие шумовых импульсов на выходе всех исследуемых диодов. При меньших перенапряжениях шумовые импульсы не формируются, а при больших электрический ток, протекающий через шумовой диод, принимает очень большие значения, что может привести к тепловому пробою шумового диода.
Результаты и их обсуждение. В качестве объектов исследования выбраны кремниевые шумовые диоды производства ОАО «Цветотрон» (Беларусь) моделей К0102Ь, К0103Ь, К0104Ь. Данные шумовые диоды хорошо зарекомендовали себя при использовании в генераторах шума [4, 11].
Как следует из данных, представленных в таблице, с понижением температуры уменьшается напряжение пробоя ипр исследуемых шумовых диодов. Это связано с тем, что понижение температуры приводит к уменьшению вероятности рассеяния свободных носителей заряда на колебаниях кристаллической решетки шумового диода. В результате этого повышается вероятность того, что на длине свободного пробега в области лавинного умножения носитель заряда приобретет энергию, необходимую для ударной ионизации, которая приведет к возникновению пробоя этого диода [4, 5, 11].
Температурные характеристики шумовых диодов Temperature characteristics of noise diodes
Диод Темпе- Напря- Средняя Среднеквадра- Коэф- Частота
ратура жение амплитуда тичное фициент следования
Т, К пробоя шумовых отклонение умноже- шумовых
ищ, В импульсов <ЦСр>, мВ амплитуды о, мВ ния М импульсов кГц
ND102L 308 9,26 140,1 38,9 1040 340
248 9,07 219,4 61,6 1397 220
ND103L 308 8,78 54,1 14,6 974 753
248 8,54 123,8 32,0 1253 0,07
ND104L 308 7,78 14,2 0,3 760 2200
248 7,58 45,3 10,6 982 0,01
Для постоянного значения перенапряжения понижение температуры приводит к уменьшению частоты следования шумовых импульсов (см. таблицу), что связано с уменьшением числа термогенерированных носителей.
На рис. 2 представлена зависимость среднего значения амплитуды сформированных шумовых импульсов <иср> от температуры Т при напряжении питания, соответствующем напряжению пробоя исследуемых шумовых диодов. Данные зависимости типовые и при других напряжениях питания имеют аналогичный вид.
Понижение температуры в диапазоне 278-248 К приводит к увеличению амплитуды импульсов шумового диода. Зависимость <иср> от Т в этом интервале температур близка к линейной. Поэтому для оценки этой зависимости можно использовать коэффициент линейности Д<Uср>/ДТ, где Д<Uср> - изменение среднего значения амплитуды шумовых импульсов, ДТ - изменение температуры. Коэффициент Д<иср>/ДТ равен 1,7; 1,6; 0,7 для диодов ND102L, ND103L, ND104L соответственно. На основании этого можно утверждать, что в таком интервале температур наибольшая стабилизация температуры для поддержания постоянной амплитуды шумовых импульсов требуется для диодов ND102L, а наименьшая - для диодов ND104L.
В диапазоне температур 308-278 К амплитуда шумовых импульсов практически не меняется для всех исследуемых шумовых диодов. Поэтому в таком интервале температур легче обеспечить поддержание стабильного значения амплитуды шумовых импульсов по сравнению с интервалом температур 278-248 К.
Наибольшее значение <иср> во всем исследуемом диапазоне температур имеют шумовые диоды ND102L, а наименьшую - диоды ND104L. Параметры исследуемых шумовых диодов различаются между собой ввиду несходства внутренней структуры. Рост амплитуды шумовых импульсов с понижением температуры при постоянном значении перенапряжения обусловлен ростом коэффициента умножения тока. Это подтверждает зависимость коэффициента умножения тока от температуры для исследуемых шумовых диодов, представленная на рис. 3. Данная зависимость получена для ДU = 0 В. Для других перенапряжений зависимость имеет аналогичный вид.
Увеличение коэффициента умножения тока М связано с тем, что при понижении температуры уменьшается число термогене-рированных сводных носителей заряда в области р-и-перехода шумового диода. Это приводит к повышению напряженности электрического поля в этой области. Понижение температуры приводит также к уменьшению вероятности рассеяния свободных носителей заряда на колебаниях кристаллической решетки шумового диода. В результате при меньшем расстоянии пробега в области лавинного умножения р-и-перехода шумового
<ис р>, мВ
о1-1-1— —-1
240 260 280 300 Т, К
Рис. 2. Зависимость среднего значения амплитуды шумовых импульсов от температуры:
1 - ND102L; 2 - ND103L; 3 - ND104L Fig. 2. Dependence of the average amplitude of noise pulses on temperature: 1 - ND102L; 2 - ND103L; 3 - ND104L
240 260 280 300 T, К
Рис. 3. Зависимость коэффициента умножения от температуры: 1 - ND102L; 2 - ND103L; 3 - ND104L
Fig. 3. Dependence of the multiplication factor on the temperature: 1 - ND102L; 2 - ND103L; 3 - ND104L
диода носитель заряда приобретет энергию, необходимую для возникновения ударной ионизации, чего не происходит при более высоких температурах [4, 5, 11]. Коэффициент умножения в области лавинного умножения носителей заряда ^-n-перехода шумового диода увеличивается, а значит, увеличивается и коэффициент умножения тока М.
Во всем исследуемом диапазоне температур наибольшее значение коэффициента умножения тока M соответствует диодам ND102L, а наименьшее - диодам ND104L. Так, при температуре 248 К значения М составляют 1397, 1253 и 982 для диодов ND102L, ND103L и ND104L соответственно, при температуре 308 К значения М равны 1040, 970 и 760 для диодов ND102L, ND103L и ND104L соответственно. Таким образом, чем выше коэффициент умножения, тем больше амплитуда формируемых шумовых импульсов для всех исследуемых шумовых диодов.
С увеличением температуры происходит уменьшение среднеквадратичного отклонения амплитуды о шумовых импульсов при постоянном перенапряжении (см. таблицу). Такое поведение зависимости g(T) связано с уменьшением амплитуды шумовых импульсов и с тем, что умножение носителей заряда в микроплазменном канале является статистическим процессом. Число носителей заряда, образующихся в процессе этого умножения, подчиняется распределению Пуассона [11]. Следовательно, чем больше коэффициент умножения носителей заряда, тем больше статистический разброс количества носителей заряда, образовавшихся в результате умножения. В связи с этим возрастает флуктуация электрического тока, создаваемого пробоями с большим коэффициентом умножения в микроплазменном канале, по сравнению с флуктуацией, создаваемой пробоями с меньшим коэффициентом умножения. Возрастание флуктуации электрического тока приводит к увеличению среднеквадратичного отклонения амплитуды g шумовых импульсов, формируемых таким током.
На рис. 4 представлены типичные амплитудные распределения шумовых импульсов на примере диодов ND103L при напряжении питания, соответствующем напряжению пробоя. Для других шумовых диодов изменения амплитудных распределений шумовых импульсов аналогичны.
Заключение. Исследования показали, что увеличение температуры приводит к снижению среднего значения амплитуды шумовых импульсов и его среднеквадратичного отклонения. Данная зависимость линейная в диапазоне температур 248-278 К, а при увеличении температуры до 308 К остается практически постоянной.
Установлено, что амплитудные распределения импульсов шумовых диодов имеют ярко выраженный максимум, который с уменьшением температуры смещается в сторону больших значений амплитуд. Пик импульсов уменьшается с понижением температуры.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке измерительной техники и в криптографических системах.
Литература
1. Rota F. Noise source diodes // VHF Communications. 2007. No. 1. Р. 11-18.
2. Rota F. 10MHz - 10GHz noise source diodes // VHF Communications. 2008. No. 4. Р. 241-248.
p(Ucp)
29 45 61 77 93 109 125 141 Ucp, мВ
Рис. 4. Амплитудное распределение шумовых импульсов при изменении температуры:
1 - 308 К; 2 - 293 К; 3 - 248 К Fig. 4. Amplitude distribution of noise impulses with temperature changes: 1 - 308 K; 2 - 293 K; 3 - 248 K
3. Physical parameters of the broadband noise-generator diodes / V. V. Buslyuk, V. B. Odzhayev,
A. K. Panfilenko et al. // Russ. Microelectron. 2020. Vol. 49. Iss. 4. P. 295-301. https://doi.org/10.1134/ S1063739720040034
4. Винокуров С. А., Кочемасов В. Н., Сафин А. Р. Генераторы шума (обзор) // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26. № 4. С. 6-32. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-4-6-32. -EDN: CEAPNH.
5. Буслюк В. В. Шумовые полупроводниковые диоды с управляемым уровнем дефектности высоколегированных кремниевых структур: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Минск: БГТУ, 2022. 23 с.
6. Горбадей О. Ю., Зеневич А. О. Исследование характеристик потока импульсов шумовых диодов, работающих в режиме микроплазменного пробоя // ПФМТ. 2018. № 2 (35). С. 7-10. EDN: LXCQAH.
7. Бельский А. Я., Сацук С. М., Путилин В. Н. Анализ шумовых характеристик диодного генератора в многоконтурной системе // Доклады БГУИР. 2020. Т. 18. № 5. С. 9-16. https://doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-5-9-16. - EDN: AUGRKM.
8. Электрофизические параметры генераторных диодов для создания широкополосного шума /
B. В. Буслюк, И. Ю. Нерода, А. Н. Петлицкий и др. // Журнал Белорус. гос. ун-та. Физика. 2017. № 1.
C. 95-99. EDN: YQVMGE.
9. Рентюк В. Высокоэффективный генератор шума на базе стабилизатора напряжения // Компоненты и технологии. 2014. № 1 (150). С. 136-137. EDN: RRRTUJ.
10. Гулаков И. Р., Зеневич А. О. Фотоприемники квантовых систем: монография. Минск: Высш. гос. колледж связи, 2012. 276 с. EDN: POAPCX.
11. Барановский О. К., Горбадей О. Ю., Зеневич А. О., Сильченко О. М. Исследование возможности использования шумовых диодов для генерации пуассоновского потока импульсов // Проблемы инфо-коммуникаций. 2017. № 1 (5). С. 13-18. EDN: XSCAOD.
References
1. Rota F. Noise source diodes. VHF Communications, 2007, no. 1, pp. 11-18.
2. Rota F. 10MHz - 10GHz noise source diodes. VHF Communications, 2008, no. 4, pp. 241-248.
3. Buslyuk V. V., Odzhayev V. B., Panfilenko A. K., Petlitsky A. N., Prosolovich V. S., Filipyenya V. A., Yankovsky Yu. N. Physical parameters of the broadband noise-generator diodes. Russ. Microelectron., 2020, vol. 49, iss. 4, pp. 295-301. https://doi.org/10.1134/S1063739720040034
4. Vinokurov S. A., Kochemasov V. N., Safin A. R. Noise generators (a review). Izv. vuzov Rossii. Radio-elektronika = Journal of the Russian Universities. Radioelectronics, 2023, vol. 26, no. 4, pp. 6-32. (In Russian). https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-4-6-32. - EDN: CEAPNH.
5. Buslyuk V. V. Noise semiconductor diodes with a controlled defects level in highly doped silicon structures, extended abstract of diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Minsk, BSTU, 2022. 23 p. (In Russian).
6. Gorbadey O. Yu., Zenevich A. O. Investigation of the characteristics of the flow of pulses of noise diodes working in the mode of microplasma breakdown. PFMT = Problems of Physics, Mathematics and Technics, 2018, no. 2 (35), pp. 7-10. (In Russian). EDN: LXCQAH.
7. Belski A. Ya., Satsyk S. M., Putilin V. N. Analysis of noise characteristics of a diode generator in a multi-circuit system. Doklady BGUIR, 2020, vol. 18, no. 5, pp. 9-16. (In Russian). https://doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-5-9-16. - EDN: AUGRKM.
8. Buslyuk V., Neroda I., Pyatlitski A., Prasalovich U., Yankovski Yu., Lanouski R. Electrophysical parameters of the diodes for broadband noise generation. Zhurnal Belorus. gos. un-ta. Fizika = Journal of the Bel-arusian State University. Physics, 2017, no. 1, pp. 95-99. (In Russian). EDN: YQVMGE.
9. Rentyuk V. Highly efficient noise generator based on a voltage stabilizer. Komponenty i tekhnologii = Components and Technologies, 2014, no. 1 (150), pp. 136-137. (In Russian). EDN: RRRTUJ.
10. Gulakov I. R., Zenevich A. O. Photodetectors of quantum systems, monograph. Minsk, Higher State College of Communication, 2012. 276 p. (In Russian). EDN: POAPCX.
11. Baranouski A. K., Gorbadey O. Yu., Zenevich A. O., Silchenko O. M. Research the possibility of use of noise diodes for generation of Poisson point process. Problemy infokommunikatsiy, 2017, no. 1 (5), pp. 13-18. (In Russian). EDN: XSCAOD.
Информация об авторах
Зеневич Андрей Олегович - доктор технических наук, профессор, ректор Белорусской государственной академии связи (Беларусь, 220114, г. Минск, ул. Ф. Скорины, 8/2), [email protected]
Кочергина Ольга Викторовна - кандидат технических наук, доцент кафедры радио и информационных технологий Белорусской государственной академии связи (Беларусь, 220114, г. Минск, ул. Ф. Скорины, 8/2), [email protected]
Буслюк Виктор Вячеславович - кандидат технических наук, доцент кафедры ЭВМ и систем Брестского государственного технического университета (Беларусь, 224017, г. Брест, ул. Московская, 267), ведущий инженер-конструктор ОАО «Цве-тотрон» (Беларусь, 224022, г. Брест, ул. Суворова, 96А), [email protected]
Федосюк Дмитрий Николаевич - магистрант кафедры ЭВМ и систем Брестского государственного технического университета (Беларусь, 224017, г. Брест, ул. Московская, 267), инженер ОАО «Цветотрон» (Беларусь, 224022, г. Брест, ул. Суворова, 96А), [email protected]
Лущий Дмитрий Александрович - магистрант кафедры ЭВМ и систем Брестского государственного технического университета (Беларусь, 224017, г. Брест, ул. Московская, 267), инженер-технолог ОАО «Цветотрон» (Беларусь, 224022, г. Брест, ул. Суворова, 96А), [email protected]
Information about the authors
Andrey O. Zenevich - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Rector, Belarusian State Academy of Communications (Belarus, 220114, Minsk, F. Skorina st., 8/2), [email protected]
Olga V. Kochergina - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Radio and Information Technologies Department, Belarusian State Academy of Communications (Belarus, 220114, Minsk, F. Skorina st., 8/2), [email protected]
Viktor V. Busliuk - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Computers and Systems Department, Brest State Technical University (Belarus, 224017, Brest, Moskovskaya st., 267), Leading Design Engineer, JSC "Tsvetotron" (Belarus, 224022, Brest, Suvorov st., 96A), [email protected]
Dmitry N. Fedasiuk - Master's degree student of the Computers and Systems Department, Brest State Technical University (Belarus, 224017, Brest, Moskovskaya st., 267), Engineer, JSC "Tsvetotron" (Belarus, 224022, Brest, Suvorov st., 96A), [email protected]
Dmitry A. Lushchyi - Master's degree student of the Computers and Systems Department, Brest State Technical University (Belarus, 224017, Brest, Moskovskaya st., 267), Process Engineer, JSC "Tsvetotron" (Belarus, 224022, Brest, Suvorov st., 96A), cvet 19ing@gmail .com
Поступила в редакцию / Received 03.04.2024 Поступила после рецензирования / Revised 06.05.2024 Принята к публикации / Accepted 11.12.2024
