DE1135956B

DE1135956B - Arrangement for generating a pulse train with statistically distributed pulses

Info

Publication number: DE1135956B
Application number: DEE19199A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Josef Schreiner
Original assignee: EMAG ELEK ZITAETSGESELLSCHAFT
Current assignee: EMAG ELEK ZITAETSGESELLSCHAFT
Priority date: 1960-04-13
Filing date: 1960-04-13
Publication date: 1962-09-06

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.Arrangement for generating a pulse train with statistically distributed Pulses In many applications, e.g. B. in statistics or automatic Encryption of messages, pulse trains are made with a random temporal Distribution needed. The pulses must not have any periodicity, be it due to the way they are generated and / or influenced by the downstream evaluation device. Especially for the encryption of ciphertexts it is imperative that this is not done by using a similar pulse random generator a periodicity, albeit a small one, can be used for decryption can.

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.So far there have been different systems of random pulse generators known. The most important technically applied ones are based on the following three Basic principles: 1. The first method uses a gas discharge tube and achieves the necessary random scattering due to the large number of non-constant parameters of the Gas discharge. The process requires a very high switching frequency of the discharge tube, to ensure the necessary randomness.

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.2. The second method controls a multivibrator from a noise generator, z. B. a high vacuum diode. In this case too there is sufficient randomness Process a large number of circuits of the multivibrator within the evaluated Time interval necessary.

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.3. The third method uses that from a Geiger-Müller counter tube delivered pulses to control the other circuits, z. B. an amplifier with downstream electromechanical hole punch to generate encrypted Telex texts. The essence of radioactive decay or cosmic radiation according to, there is sufficient randomness even at low pulse rates guaranteed.

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.The methods 1 and 2 have in particular for the encryption of Fernsohreibetexen in punched tape the big disadvantage that the writing speed cannot be increased beyond a certain limit. This limit arises from the highest possible switching frequency of the gas discharge tubes or the multivibrators. This limit is too low for many practical applications. Procedure 3 has the disadvantage of a high cost of supplying the Geiger-Müller counter tube. In particular, the use of a radioactive preparation as a radiation source is as it is necessary for the generation of high pulse rates, undesirable in utility devices, because such devices cannot be subjected to permanent control. However, this results in the risk of loss or unauthorized use of radioactive substances Substances.

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.The arrangement according to the invention avoids all of the aforementioned disadvantages and also has considerable advantages. To generate a pulse train With statistically distributed pulses, according to the invention, a semiconductor with at least a pn-layer is used, which by means of a direct or / and alternating voltage is pre-locked so that in it either thermally and / or from the outside through generated continuous irradiation of light and / or ionizing rays Charge carriers lead to statistically distributed discharge pulses, which are used as voltage or power surges are removable. For example, an alloyed silicon zener diode be operated as a pulse generator in the vicinity of the zener point.

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.The invention consists in making use of a known physical one Effect in an arrangement for generating statistically distributed pulses. For semiconductors, in which there are inhomogeneities in the crystal structure or the current conduction behavior, When a suitably dimensioned voltage is applied, discharges can occur which can be measured in the form of current or voltage pulses. Due to the microstructure of the semiconductor is the formation of zones with very high Field strength enables. If free charge carriers get into such zones, they can by the high field are accelerated so far that they are sufficient Energy received to remove further charge carriers from neutral atoms, e.g. B. electrons, trigger. With sufficiently high field strengths, a carrier avalanche can occur in this way arise, which results in a high current pulse. In particular semiconductor diodes with a sharp pn junction, which causes a strong increase in reverse current from a certain point on Reverse voltage (known as Zener diodes) show such discharge phenomena. The way in which a charge carrier gets into such an ignition-ready zone, where it then triggers an avalanche is different. A load carrier can come from the Diffuse the area around the zone. He can continue thermally in the zone be formed themselves. However, it can also be caused by high-energy rays in the Zone itself or its surroundings. The carrier generation and with it the formation of a discharge is therefore completely random.

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.Such an arrangement is thus made up of a suitable semiconductor usable as a random generator with a bias voltage source. For triggering Charge carriers from the known semiconductor materials are light or also suitable any other type of high energy radiation. The arrangement therefore needs to be generated a sufficiently high pulse rate no radioactive substance as a radiation source. The necessary stresses are low compared to the aforementioned Zener diodes usual discharge tubes, e.g. B. Geiger-Müller counter tubes.

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.The arrangement according to the invention consists of a suitable semiconductor, a bias voltage source and an evaluation device for the received pulses in an exemplary circuit according to the drawing. By means of a power source B, the voltage for the diode D is set via the voltage divider R 1. The voltage drop caused by the current pulses across the resistor R, becomes in the form of voltage pulses via the capacitor C1 to the evaluation circuit A transferred. The arrangement has the following advantages over the known systems: 1. It does not require high voltages to operate.

2. Sie liefert genügend viele und hinreichend große Impulse, so daß die Nachfolgeschaltung sehr einfach wird.2. It delivers enough and sufficiently large pulses so that the follow-up circuit becomes very simple.

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.2. It does not require any radioactive substances to generate high pulse rates Substance. ; 4. By changing the applied voltage or by radiation from Light can change the pulse rate at will.

5. Durch Exemplarstreuung sowie infolge der Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern wird eine völlige Zufälligkeit der zeitlichen Abfolge der Impulse erreicht.5. By specimen variance and as a result of the dependency on one The multitude of parameters becomes a complete randomness of the time sequence of the Impulses achieved.

6. Die Lebensdauer der Halbleiteranordnung, z. B. in Form einer Diode, ist sehr groß.6. The life of the semiconductor device, e.g. B. in the form of a diode, is very big.

7. Die Anordnung ist sehr klein im Vergleich zu den übrigen bekannten Zufallsgeneratoren.7. The arrangement is very small compared to the other known ones Random number generators.

B. Die Anordnung hat einen sehr kleinen Energiebedarf.B. The arrangement has a very low energy requirement.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for generating a pulse train with statistically distributed pulses, characterized by the use of a semiconductor with at least one pn-layer, which by means of a direct or / and alternating voltage until just before the breakdown voltage is biased, so that in it either through thermally and / or from the outside through continuous irradiation of light and / or ionizing radiation generates charge carriers to form statistically distributed discharge pulses lead that can be removed as voltage or current surges. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that an alloyed silicon Zener diode as a pulse generator is operated in the vicinity of the Zener point. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that means are provided through which the applied voltage and / or the irradiation and thus the pulse rate can be changed. 4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the generated pulses by means of a downstream circuit known per se for the encryption of learning texts be used. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1035 695; USA: Patent No. 2,505,633; “Phys. Review ", Vol. 105, No.

January 2nd 1957, pp. 413 to 417; Vol. 94, No. 4, May 1954, pp. 877-884.