19841

۱۹۸۴۱

طراحي توليدكننده عدد تصادفي بر مبناي ديود نوري شكست بهمني در فنّاوري زير 100 نانومتر CMOS

كارشناسي ارشد

افزاره هاي ميكرو و نانوالكترونيك

1394-139۷

۱۳۹۷/۰۴/۰۳

دكتر محمدعظيم كرمي

برق

در اين پايان‌نامه ابتدا يك ديود شكست بهمني تك فوتون در فناوري90 نانومتر CMOS استاندارد طراحي و شبيه‌سازي شد و برخي مشخصات اين ديود ازجمله:مشخصه ولتاژ-جريان،ضريب پرشدگي ،احتمال آشكارسازي فوتون و نرخ شمارش در تاريكي شبيه‌سازي‌شده و نتايج شبيه‌سازي گزارش‌شده است. براي محاسبه اين مقادير نياز به محاسبه احتمال رخداد شكست بهمني در ناحيه تخليه ديود است، كه در اين پايان‌نامه به دليل استفاده از فناوري90 نانومتر CMOS، عرض ناحيه تخليه بسيار كوچك است ونمي توان از مدل ميدان محلي براي محاسبه احتمال شكست بهمني، استفاده كرد.بنابراين از مدل غير محلي احتمال شكست بهمني استفاده‌شده است. نرخ شمارش در تاريكي در ديودهاي شكست بهمني تك فوتون، تصادفي است و توزيع پواسون دارد. متوسط نرخ شمارش در تاريكي ديود شكست بهمني تك فوتون طراحي‌شده در اين پايان‌نامه  رخداد بر ثانيه است. با توجه به اينكه متوسط نرخ شمارش در تاريكي اين ديود زياد است مي‌توان بدون تاباندن نور به ديود شكست بهمني مذكور، از خروجي آن نمونه‌برداري كرد و پالس‌هاي ناشي از نويز حالت تاريكي را به بيت‌هاي تصادفي ترجمه كرد. در توليدكننده عدد تصادفي ديگري كه در اين پايان‌نامه طراحي‌شده، از خاصيت تصادفي بودن تعداد فوتون‌هايي كه در يك بازه زماني مشخص توسط يك ديود شكست بهمني آشكار مي‌شود،استفاده‌شده است.در اين سيستم براي آشكارسازي فوتون از سه ديود شكست بهمني در فناوري 180 نانومتر به‌طور هم‌زمان در يك پيكسل استفاده‌شده است. نرخ توليد بيت در اين سيستم 80 مگابيت بر ثانيه توان مصرفي به ازاي توليد هر بيت 16 پيكو ژول است. جهت اطمينان از تصادفي بودن اعداد حاصل، مجموعه آزمون‌هاي طراحي‌شده توسط موسسه ملي فناوري و استانداردهاي ايالات‌متحده بر روي  گيگا بيت داده حاصل از شبيه‌سازي اعمال‌شده و نتايج آزمون‌ها گزارش‌شده است.

1397/08/22

Design of random number generator based on avalanche photodiode in sub 100 nm CMOS technology

11/13/2018 12:00:00 AM

In this thesis, a single photon avalanche diode (SPAD) was first designed and simulated in 90 nm CMOS technology, and some specifications of this diode, including the voltage-current characteristic, fill factor (FF), photon detection probability (PDP), and the dark counting rate (DCR) are simulated. Finally, the simulation results have been reported. To calculate these values, it is necessary to calculate the probability of a breakdown event in the discharge zone of the diode, which in this thesis because of using the 90 nm CMOS technology, the discharge area is very small, and the local field model cannot be used to calculate the probability of an avalanche breakdown. Therefore, a non-local model has been used to predict the breakdown. The DCR in SPADs is a random variable and it has a Poisson distribution. The average DCR of a SPADs designed in this dissertation is 600 events per second. Given that the average DCR of this diode is high, it can be sampled from its output without shining the light to the mentioned diode, and translate the pulses of dark noise into random bits. In the other random number generator, which is designed in this thesis, the random property of the number of photons detected at a given time interval is revealed by a SPAD. In this system, for the detection of a photon, three SPADs within 180 nm technology are used simultaneously in one pixel. The bit rate of the system is 80 megabits per seconds (Mbps) and the power consumption per 16 Pico joule per bit. To ensure randomness of the resulting numbers, a set of tests designed by the National Institute of Technology and the US standards has been applied to a gigabytes of simulation data and the test results have been reported.