CC BY
7Научная статья УДК 621.382
doi:10.24151/1561-5405-2024-29-5-608-615 EDN: AOZPZB
Температурные характеристики шумовых диодов
1 1 2 3
А. О. Зеневич , О. В. Кочергина , В. В. Буслюк ' , Д. Н. Федосюк2'3, Д. А. Лущий2'3
1 Белорусская государственная академия связи, г. Минск, Беларусь
2Брестский государственный технический университет, г. Брест, Беларусь
ОАО «Цветотрон», г. Брест, Беларусь [email protected]
Аннотация. Для создания генераторов шума, как правило, используются шумовые диоды. На сегодняшний день зависимость параметров генерируемого шумовым диодом сигнала, его напряжения пробоя, последовательного и дифференциального сопротивления, частоты следования шумовых импульсов от температуры изучена слабо. В работе исследованы кремниевые планарные шумовые диоды моделей ND102L, ND103L и ND104L. С использованием экспериментальной установки выяснено, что рост температуры приводит к увеличению напряжения пробоя исследуемых шумовых диодов. Получены коэффициенты линейности зависимости напряжения пробоя от температуры, равные 2,6; 3,2; 3,0 мВ/К для диодов ND102L, ND103L и ND104L соответственно. Установлено, что наибольшие значения напряжения пробоя характерны для диодов ND102L, а наименьшие -для диодов ND104L во всем диапазоне исследуемых температур. Обнаружено, что повышение температуры приводит к уменьшению последовательного сопротивления. Данная зависимость линейна и наиболее сильно проявляется для диодов ND102L, а наименее - для диодов ND104L. Показано, что дифференциальное сопротивление не зависит от температуры в исследуемом температурном диапазоне. Определено, что наибольшая зависимость напряжения пробоя и частоты следования шумовых импульсов от температуры характерна для диодов ND104L, а наименьшая - для диодов ND102L, наибольшая стабилизация напряжения питания требуется при использовании шумовых диодов ND104L.
Ключевые слова: шумовой диод, температура, напряжение пробоя, дифференциальное сопротивление, частота следования шумовых импульсов
Для цитирования: Температурные характеристики шумовых диодов / А. О. Зеневич, О. В. Кочергина, В. В. Буслюк и др. // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 5. С. 608-615. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-5-608-615. -EDN: AOZPZB.
© А. О. Зеневич, О. В. Кочергина, В. В. Буслюк, Д. Н. Федосюк, Д. А. Лущий, 2024
Original article
Temperature characteristics of noise diodes
A. O. Zenevich1, O. V. Kochergina1, V. V. Buslyuk2'3, D. N. Fedosyuk2'3, D. A. Luschiy2'3
1Belarusian State Academy of Communications, Minsk, Belarus 2Brest State Technical University, Brest, Belarus 3JSC "Tsvetotron ", Brest, Belarus
Abstract. Most commonly noise diodes are used to create noise generators. To this date, the temperature dependence of parameters of signal generated by noise diode, of its breakdown voltage, series and differential resistance, and pulse rate is underexplored. In this work, silicon planar noise diodes of ND102L, ND103L and ND104L models are studied. It has been found using an experimental setup that highest breakdown voltage values are typical for ND102L model and lowest, for ND104L, over the entire range of temperatures studied. It was found that temperature rise leads to decrease in series resistance. This dependency is linear, it is most pronounced for ND102L model and least, for ND104L. It was demonstrated that differential resistance is independent of temperature in the temperature range under study. Study results indicate that the highest dependence of breakdown voltage and noise pulse rate on temperature is specific to ND104L model and the lowest, to ND102L model. It has been established that the greatest supply voltage stabilization is required when using noise diodes of ND104L model.
Keywords, noise diode, temperature, breakdown voltage, differential resistance, pulse rate
For citation. Zenevich А. O., Kochergina O. V., Buslyuk V. V., Fedosyuk D. N., Luschiy D. A. Temperature characteristics of noise diodes. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 5, pp. 608-615. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-5-608-615. -EDN. AOZPZB.
Введение. Для оценки качества цифровых систем передачи информации, маскирования побочных электромагнитных излучений вычислительной техники, создания криптографических случайных числовых последовательностей в аппаратно-программных комплексах защиты информации требуются генераторы шума [1-7]. Как правило, для создания генераторов шума используются шумовые диоды. При этом большое значение имеют характеристики, описывающие свойства генерируемого сигнала и их зависимость от температуры. Однако в настоящее время зависимость этих параметров от температуры изучена слабо, а по некоторым параметрам характер зависимости не установлен.
Цель настоящей работы - установление зависимости параметров шумовых диодов, таких как напряжение пробоя, последовательное и дифференциальное сопротивление, частота следования шумовых импульсов, от температуры.
Экспериментальная установка и методы измерений. В качестве объектов исследования выбраны кремниевые планарные шумовые диоды производства ОАО «Цвето-трон» (Беларусь). Эти диоды хорошо зарекомендовали себя при использовании для
построения генераторов шума [2, 6]. Для проведения исследования случайным образом отобраны по три экземпляра диодов моделей КЭ102Ь, КЭ103Ь и КЭ104Ь. Структурная схема экспериментальной установки для исследования представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки: ИП - источник питания; В - вольтметр; А - амперметр; Rorp - ограничивающий резистор; VD - шумовой диод; Rн - сопротивление нагрузки; КТХ - камера тепла и холода; У - усилитель; ОС - осциллограф;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер Fig. 1. Block diagram of the experimental setup: ИП - power source; В - voltmeter; A - ammeter; Rotp - limiting resistor; VD - noise diode; RK - load resistance; КТХ - chamber of heat and cold; У - amplifier; ОС - oscilloscope; АЦП - analog-to-digital converter; ПК - personal computer
К шумовому диоду прикладывали напряжение обратного смещения его p-n-пере-хода с помощью источника постоянного напряжения в диапазоне 6-11 В. Напряжение питания Uпит контролировали вольтметром. Данный диапазон напряжений соответствует рабочему диапазону напряжений исследуемых шумовых диодов. Ток I, протекающий через шумовой диод, определяли амперметром. Для реализации режима микроплазменного пробоя шумовой диод УО включали последовательно с сопротивлением нагрузки Rн Для ограничения тока, протекающего через диод, использовали ограничивающий резистор Rогр.
В процессе туннелирования или термогенерации образуются свободные носители заряда, которые под воздействием электрического поля получают достаточную энергию для того, чтобы произвести ударную ионизацию и вызвать локальный лавинный пробой p-n-перехода. В результате пробоя p-n-перехода ток, протекающий через шумовой диод, резко возрастает. При этом падение напряжения увеличивается на рези-
сторе Ян и уменьшается на диоде. Во время протекания локального пробоя напряжение на шумовом диоде снижается. Соответственно, электрический ток, протекающий через диод, уменьшается и пробой гасится. В результате чего на резисторе Ян формируются шумовые импульсы, которые усиливаются усилителем. Вид сформированных шумовых импульсов контролируется осциллографом. Оцифрованные с помощью АЦП шумовые импульсы подаются на ПК для обработки данных.
Шумовой диод помещали в камеру тепла и холода, позволяющую изменять температуру от 248 до 308 К. Выбранный температурный диапазон обусловлен климатическими условиями эксплуатации исследуемых диодов. Изменение сопротивления Ян в исследуемом диапазоне температур составляет не более 2 % и не приводит к значительному изменению тока, поэтому данные изменения в процессе исследования не учитывали.
Последовательное сопротивление шумовых диодов равно: Я = ипит//. Дифференциальное сопротивление определяется по линейному участку ВАХ следующим образом: Яд = А и/А/, где Ди - изменение напряжения, приложенного к шумовому диоду; А/ - изменение тока, протекающего через шумовой диод. Напряжение пробоя ипр определяется по ВАХ на основании методики, описанной в работе [8]. Поскольку исследуемые шумовые диоды имеют разные напряжения пробоя, то для сравнения их характеристик использовали перенапряжение, определяемое как Ди = ипит - ипр.
Результаты измерения и их обсуждение. На примере диодов КБ102Ь получены ВАХ при изменении температуры (рис. 2). Видно, что для исследуемых диодов характерна зависимость напряжения пробоя от температуры. Представленные ВАХ являются типовыми и имеют аналогичный вид для всех исследуемых шумовых диодов. Понижение температуры приводит к уменьшению напряжения пробоя для всех исследуемых шумовых диодов. Это объясняется тем, что понижение температуры уменьшает вероятности рассеяния свободных носителей заряда на колебаниях кристаллической решетки шумового диода. В результате этого возрастает вероятность того, что на длине свободного пробега в области лавинного умножения носитель заряда приобретет энергию, необходимую для возникновения пробоя этого диода [8, 9].
На рис. 3, а представлены зависимости напряжений пробоя шумовых диодов от температуры. Данные зависимости линейные для всех исследуемых шумовых диодов. При анализе зависимостей ипр(Т) применяли отношение Дипр/ДТ, где Дипр - изменение напряжения пробоя при изменении температуры ДТ. Тогда Дипр/ДТ = 2,6; 3,2; 3,0 мВ/К для диодов К0102Ь, КБ103Ь, К0104Ь соответственно. Наибольшие значения напряжения пробоя характерны для диодов К0102Ь, а наименьшие - для диодов К0104Ь во всем диапазоне исследуемых температур. Наиболее сильная зависимость напряжения пробоя от температуры наблюдается для диодов К0103Ь, а наименее - для диодов К0102Ь.
Рис. 2. ВАХ исследуемых шумовых диодов ND102L при изменении температуры:
1 - 308 К; 2 - 278 К; 3 - 248 К Fig. 2. Current-voltage characteristics of the studied noise diodes ND102L with temperature changes. 1 - 308 K; 2 - 278 K; 3 - 248 K
Рис. 3. Зависимости напряжения пробоя диодов (а) и частоты следования импульсов (б) от температуры:
1 - ND102L; 2 - ND103L; 3 - ND104L Fig. 3. Dependences of diodes breakdown voltage (a) and pulse repetition frequency (b) on temperature:
1 - ND102L; 2 - ND103L; 3 - ND104L
При напряжениях питания, превышающих напряжение пробоя, ВАХ имеет линейный участок для всех исследуемых шумовых диодов (см. рис. 2). Для данного участка определяли дифференциальное сопротивление. Так, Rд = 3,1; 1,8; 0,3 кОм для диодов ND102L, ND103L, ND104L соответственно. Дифференциальное сопротивление не зависит от температуры в исследуемом температурном диапазоне. Наименьшее значение дифференциального сопротивления соответствует диодам ND104L, наибольшее -диодам ND102L. Таким образом, более сильная зависимость изменения электрического тока, протекающего через шумовой диод, от нестабильностей приложенного напряжения питания наблюдаются для диодов ND104L. Согласно работе [2] частота следования шумовых импульсов шумового диода напрямую зависит от его тока. Поэтому для поддержания постоянного значения частоты следования шумовых импульсов для диодов ND104L требуется более высокая стабилизация напряжения питания для всех температур из исследуемого температурного диапазона.
На рис. 3, б приведена зависимость частоты следования шумовых импульсов от температуры при постоянном перенапряжении AU = 0. Для диодов ND102L и ND103L данная зависимость линейна во всем исследуемом температурном диапазоне. При этом частота следования шумовых импульсов увеличивается с ростом температуры. Коэффициент линейности AF/AT для данных шумовых диодов составляет 2,0 и 12,5 кГц/К соответственно. Для других перенапряжений коэффициент линейности AF/AT такой же, как и для AU = 0.
Для диодов ND104L при AU = 0 частота следования шумовых импульсов также увеличивается с ростом температуры. Линейная зависимость частоты следования шумовых импульсов от температуры для этих шумовых диодов наблюдается в интервале температур 248-280 К, в котором AF/AT = 73,3 кГц/К. При Т > 293 К происходит отклонение от линейной зависимости (см. рис. 3, б). Такое поведение зависимостей связано с различием их внутренней структуры. Для данных диодов частота следования шумовых импульсов в интервале температур 248-280 К не превышает 100 Гц. Увеличение перенапряжения при этих температурах приводит к увеличению частоты следования шумовых импульсов. Так, при AU = 0,1 В значение достигает 10 кГц.
Для диодов ND103L и ND102L при AU = 0 в интервале температур 248-280 К наблюдается невысокая частота F следования шумовых импульсов, не превышающая 500 Гц. Добиться увеличения этой частоты в рассматриваемом интервале температур можно путем повышения перенапряжения. Отметим, что при AU = 0,1 В параметр F = 25 кГц.
Результаты зависимости параметров исследуемых шумовых диодов от температуры для перенапряжения Ди = 0 приведены в таблице.
Параметры шумовых диодов при изменении температуры Parameters of noise diodes with temperature changes
Диод Температура Т, К Напряжение пробоя Uuj,, В Сопротивление R, МОм Частота следования шумовых импульсов, кГц
ND102L 308 9,26 0,63 340
248 9,07 1,16 220
ND103L 308 8,78 0,93 753
248 8,54 1,06 0,07
ND104L 308 7,78 2,78 2200
248 7,58 2,85 0,01
Как следует из данных, представленных в таблице, повышение температуры приводит к уменьшению последовательного сопротивления. Зависимость R(T) носит линейный характер. Коэффициент линейности зависимости R(T) определяется как k = AR/AT (AR - изменение последовательного сопротивления при изменении температуры AT) и составляет -7,6; -1,9; -1,0 кОм/К для ND102L; ND103L; ND104L соответственно. Зависимость R(T) наиболее сильно проявляется для диодов ND102L и наименее - для диодов ND104L.
Собственная емкость C исследуемых шумовых диодов практически не изменялась в исследуемом температурном диапазоне и составляет 0,5; 1,5; 4,7 пФ для диодов ND102L; ND103L; ND104L соответственно. В связи с этим понижение температуры приводит к увеличению длительности импульсов шумовых диодов. Так, длительность импульсов при перенапряжении AU = 0 и температуре Т = 308 К составляет 1,91; 1,33; 0,44 мкс для диодов ND102L, ND103L, ND104L соответственно. При Т = 248 К длительность импульсов равна 2,50; 1,74; 0,65 мкс для диодов ND102L, ND103L, ND104L соответственно.
Таким образом, при эксплуатации шумовых диодов ND102L, ND103L и ND104L необходимо учитывать, что наибольшую зависимость частоты следования шумовых импульсов от температуры имеют диоды ND104L, а наименьшую - диоды ND102L.
Заключение. Проведенные исследования показали, что повышение температуры приводит к увеличению напряжения пробоя шумовых диодов моделей ND102L, ND103L и ND104L. Наиболее сильная зависимость напряжения пробоя и частоты следования импульсов от температуры характерна для диодов ND104L. Поэтому для шумовых диодов данной модели необходима большая стабилизация температуры. Наименее сильная зависимость напряжения пробоя и частоты следования импульсов от температуры характерна для диодов ND102L. Следовательно, данная модель менее других нуждается в стабилизации температуры.
Литература
1. 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
2. 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.
3. 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.
4. Рентюк В. Высокоэффективный генератор шума на базе стабилизатора напряжения // Компоненты и технологии. 2014. № 1 (150). С. 136-137. EDN: RRRTUJ.
5. 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.
6. 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.
7. Горбадей О. Ю., Зеневич А. О. Использование диодов-генераторов шума для создания двухуровневой случайной числовой последовательности // Телекомушкацшш та шформацшш технологи. 2017. № 3 (56). С. 12-17. EDN: YNNGFV.
8. Гулаков И. Р., Зеневич А. О. Фотоприемники квантовых систем: монография. Минск: Высш. гос. колледж связи, 2012. 276 с. EDN: POAPCX.
9. Буслюк В. В. Шумовые полупроводниковые диоды с управляемым уровнем дефектности высоколегированных кремниевых структур: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Минск, 2022. 23 с.
Статья поступила в редакцию 26.12.2023 г.; одобрена после рецензирования 28.12.2023 г.;
принята к публикации 16.08.2024 г.
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]
References
1. 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
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Gorbadey O. Yu., Zenevich A. O. Use of the diodes-noise generators to create a two-level random numerical sequence. Telekomunikatsiini ta informatsiini tekhnolohii = Telecommunication and Information Technologies, 2017, no. 3 (56), pp. 12-17. (In Russian). EDN: YNNGFV.
8. Gulakov I. R., Zenevich A. O. Photodetectors of quantum systems, monograph. Minsk, Higher State College of Communication, 2012. 276 p. (In Russian). EDN: POAPCX.
9. Buslyuk V. V. Noise semiconductor diodes with a controlled defect level in highly doped silicon structures, extended abstract of diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Minsk, 2022. 26 p. (In Russian).
The article was submitted 26.12.2023; approved after reviewing 28.12.2023;
accepted for publication 16.08.2024.
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. Buslyuk - 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. Fedosyuk - 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. Luschiy - 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
