DE1135956B - Anordnung zur Erzeugung einer Impulsfolge mit statistisch verteilten Impulsen - Google Patents

Description

• Anordnung zur Erzeugung einer Impulsfolge mit statistisch verteilten Impulsen In vielen Anwendungsfällen, z. B. in der Statistik oder der automatischen Verschlüsselung von Nachrichten, werden Impulsfolgen mit einer zufälligen zeitlichen Verteilung benötigt. Die Impulse dürfen dabei keinerlei Periodizität aufweisen, sei es herrührend von der Art ihrer Erzeugung oder/und durch Beeinflussung aus der nachgeschalteten Auswerteeinrichtung. Insbesondere für die Verschlüsselung von Geheimtexten ist unbedingt zu fordern, daß nicht durch Verwendung eines gleichartigen Impuls-Zufallsgenerators eine, wenn auch geringe, Periodizität zu einer Entschlüsselung ausgenutzt werden kann.
• Es sind bisher verschiedene Systeme von Impuls-Zufallsgeneratoren bekanntgeworden. Die wichtigsten technisch angewendeten beruhen auf den drei folgenden Grundprinzipien: 1. Das erste Verfahren benutzt eine Gasentladungsröhre und erreicht die nötige Zufallsstreuung durch die Vielzahl der nicht konstanten Paramenter der Gasentladung. Das Verfahren benötigt eine sehr hohe Schaltfrequenz der Entladungsröhre, um die notwendige Zufälligkeit sicherzustellen.
• 2. Das zweite Verfahren steuert einen Multivibrator von einem Rauschgenerator, z. B. einer Hochvakuumdiode, aus. Für eine genügende Zufälligkeit ist auch bei diesem Verfahren eine hohe Anzahl von Schaltungen des Multivibrators innerhalb des ausgewerteten Zeitintervalls notwendig.
• 3. Das dritte Verfahren verwendet die von einem Geiger-Müller-Zählrohr gelieferten Impulse zur Steuerung der weiteren Schaltungen, z. B. eines Verstärkers mit nachgeschaltetem elektromechanischem Locher zur Erzeugung von verschlüsselten Fernschreibetexten. Dem Wesen des radioaktiven Zerfalls bzw. der Höhenstrahlung zufolge, ist eine ausreichende Zufälligkeit auch bei geringen Impulsraten schon gewährleistet.
• Die Verfahren 1 und 2 haben insbesondere für die Verschlüsselung von Fernsohreibetexten in Lochstreifen den großen Nachteil, daß die Schreibgeschwindigkeit nicht über eine bestimmte Grenze gesteigert werden kann. Diese Grenze ergibt sich aus der höchsten möglichen Schaltfrequenz der Gasentladungsröhren oder der Multivibratoren. Für viele praktische Anwendungen ist diese Grenze zu niedrig. Das Verfahren 3 hat den Nachteil eines hohen Aufwandes für die Versorgung des Geiger-Müller-Zählrohres. Insbesondere ist die Verwendung eines radioaktiven Präparates als Strahlungsquelle, wie es für die Erzeugung großer Impulsraten notwendig ist, in Gebrauchsgeräten unerwünscht, weil derartige Geräte nicht einer dauernden Kontrolle unterzogen werden können. Daraus ergibt sich aber die Gefahr des Verlustes oder der unbefugten Handlung radioaktiver Substanzen.
• Die erfindungsgemäße Anordnung vermeidet alle vorgenannten Nachteile und besitzt darüber hinaus beachtliche Vorteile. Zur Erzeugung einer Impulsfolge mit statistisch verteilten Impulsen wird erfindungsgemäß ein Halbleiter mit mindestens einer pn-Schicht verwendet, der mittels einer Gleich- oder/ und Wechselspannung vorgesperrt ist, so daß in ihm entweder durch thermisch und/oder von außen durch kontinuierliche Einstrahlung von Licht und/oder ionisierenden Strahlen erzeugte Ladungsträger zu statistisch verteilten Entladungsimpulsen führen, die als Spannungs- oder Stromstöße abnehmbar sind. Zum Beispiel kann eine legierte Silizium-Zenerdiode als Impulsgenerator in der Umgebung des Zenerpunktes betrieben werden.
• Die Erfindung besteht in der Ausnutzung eines bekannten physikalischen Effektes in einer Anordnung zur Erzeugung statistisch verteilter Impulse. Bei Halbleitern, in denen Inhomogenitäten der Kristallstruktur oder des Stromleitungsverhaltens vorliegen, können sich bei Anlegen einer geeignet bemessenen Spannung Entladungen zeigen, die sich in Form von Strom- oder Spannungsimpulsen messen lassen. Durch die Mikrostruktur des Halbleiters wird an einzelnen Stellen die Ausbildung von Zonen mit sehr hoher Feldstärke ermöglicht. Gelangen freie Ladungsträger in solche Zonen, so können diese durch das hohe Feld so weit beschleunigt werden, daß sie genügend Energie erhalten, um aus neutralen Atomen weitere Ladungsträger, z. B. Elektronen, auszulösen. Bei genügend hohen Feldstärken kann auf diese Weise eine Trägerlawine entstehen, die einen hohen Stromimpuls ergibt. Insbesondere Halbleiterdioden mit einem scharfen pn-Übergang, die eine starke Sperrstromzunahme ab einer bestimmten Sperrspannung aufweisen, (bekannt als Zenerdioden) zeigen solche Entladungserscheinungen. Die Art und Weise, wie ein Ladungsträger in eine solche zündbereite Zone gelangt, wo er dann eine Lawine auslöst, ist verschieden. Ein Ladungsträger kann aus der Umgebung der Zone in diese eindiffundieren. Er kann weiter thermisch in der Zone selbst gebildet werden. Er kann jedoch auch durch energiereiche Strahlen in der Zone selbst oder ihrer Umgebung ausgelöst werden. Die Trägererzeugung und damit die Ausbildung einer Entladung ist also völlig zufällig.
• Somit ist eine solche Anordnung bestehend aus einem geeigneten Halbleiter mit einer Vorspannungsquelle als Zufallsgenerator brauchbar. Für die Auslösung von Ladungsträgern aus den bekannten Halbleitermaterialien eignet sich Licht oder auch jede andere Art von energiereicher Strahlung. Die Anordnung benötigt also zur Erzeugung einer genügend hohen Impulsrate keine radioaktive Substanz als Strahlungsquelle. Die notwendigen Verspannungen sind bei den vorgenannten Zenerdioden gering gegenüber üblichen Entladungsröhren, z. B. Geiger-Müller-Zählröhren.
• Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem geeigneten Halbleiter, einer Vorspannungsquelle und einer Auswerteeinrichtung für die erhaltenen Impulse in einer beispielsweisen Schaltung nach der Zeichnung. Mittels einer Stromquelle B wird über den Spannungsteiler R 1 die Verspannung für die Diode D eingestellt. Der durch die Stromimpulse am Widerstand R, hervorgerufene Spannungsabfall wird in Form von Spannungsimpulsen über den Kondensator C1 auf die Auswerteschaltung A übertragen. Die Anordnung hat folgende Vorteile gegenüber den bekannten Systemen: 1. Sie benötigt zum Betrieb keine hohen Spannungen.
• 2. Sie liefert genügend viele und hinreichend große Impulse, so daß die Nachfolgeschaltung sehr einfach wird.
• 2. Sie benötigt für die Erzeugung hoher Impulsraten keine radioaktive Substanz. ; 4. Durch Änderung der angelegten Spannung oder durch Einstrahlung von Licht läßt sich die Impulsrate beliebig verändern.
• 5. Durch Exemplarstreuung sowie infolge der Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern wird eine völlige Zufälligkeit der zeitlichen Abfolge der Impulse erreicht.
• 6. Die Lebensdauer der Halbleiteranordnung, z. B. in Form einer Diode, ist sehr groß.
• 7. Die Anordnung ist sehr klein im Vergleich zu den übrigen bekannten Zufallsgeneratoren.
• B. Die Anordnung hat einen sehr kleinen Energiebedarf.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Anordnung zur Erzeugung einer Impulsfolge mit statistisch verteilten Impulsen, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiters mit mindestens einer pn-Schicht, der mittels einer Gleich- oder/und Wechselspannung bis kurz vor die Durchschlagspannung vorgespannt ist, so daß in ihm entweder durch thermisch und/oder von außen durch kontinuierliche Einstrahlung von Licht und/oder ionisierenden Strahlen erzeugte Ladungsträger zu statistisch verteilten Entladungsimpulsen führen, die als Spannungs- oder Stromstöße abnehmbar sind. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine legierte Silizium-Zenerdiode als Impulsgenerator in der Umgebung des Zenerpunktes betrieben wird. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die die angelegte Spannung und/oder die Einstrahlung und damit die Impulsrate verändert werden kann. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Impulse mittels einer an sich bekannten Nachfolgeschaltung zur Verschlüsselung von Flernschreibetexten verwendet werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1035 695; USA: Patentschrift Nr. 2 505 633; »Phys. Review«, Vol. 105, Nr.
2. 2, Januar 1957, S. 413 bis 417; Vol. 94, Nr. 4, Mai 1954, S. 877 bis 884.