[发明专利]一种物理不可克隆函数电路及其应用

权利要求书

1.一种物理不可克隆函数PUF电路，该PUF电路包括：晶体管阵列，以及外围的译码电路、驱动电路以及读取电路，其特征在于，所述晶体管阵列由相互连接的双极特性场效应晶体管构成多行多列阵列结构，所述晶体管阵列内每一行晶体管的字线WL连接至译码电路；每一列晶体管的位线BL连接至驱动电路，感线SL连接至读取电路；所述双极特性场效应晶体管的漏极与位线BL连接、栅极与字线WL连接、源极与感线SL连接，所述双极特性场效应晶体管采用具有电子和空穴双极导电特性的半导体材料作为沟道或衬底材料，或者采用金属或金属硅化物作为源漏材料，使具有源漏对称结构的场效应晶体管表现出非单调的双极转移特性曲线，同时在所述双极特性场效应晶体管的栅极堆叠层中插入一层存储层，该存储层采用浮栅/俘获层和隧穿介质层构成的半导体材料，通过对沟道的电荷俘获/去俘获调制晶体管的阈值电压；或者采用一层铁电材料，通过改变铁电材料的极化状态调制晶体管的阈值电压，构成具有双极特性且可调制阈值电压的场效应晶体管。

2.如权利要求1所述的物理不可克隆函数PUF电路，其特征在于，所述双极特性场效应晶体管中的栅极堆叠层是金属-铁电层-半导体、金属-铁电层-绝缘层-半导体、金属-铁电层-金属-绝缘层-半导体结构，其中铁电层作为插入的存储层。

3.如权利要求2所述的物理不可克隆函数PUF电路，其特征在于，所述双极特性场效应晶体管栅极堆叠层中的半导体材料为有机小分子、聚合物、二维材料、氧化物、以及有机-无机杂化材料。

4.如权利要求2所述的物理不可克隆函数PUF电路，其特征在于，所述双极特性场效应晶体管栅极堆叠层中的铁电层为掺杂Zr、Al、Si、La元素的HfO₂多畴铁电材料及其他各类钙钛矿型铁电材料。

5.如权利要求1所述的物理不可克隆函数PUF电路，其特征在于，所述译码电路用于外部输入的挑战信号译码为晶体管阵列对应的字线WL和读取电路中多路选择器MUX的地址；所述驱动电路用于提供可重构注册和验证过程中所需的编程电压、读取电压和供电电压；所述读取电路用于阵列电流的选择、读出和比对，以及响应信号的产生，其包括多路选择器及差分放大器。

6.一种物理不可克隆函数PUF电路的挑战-响应对产生方法，其特征在于，用于权利要求1所述的物理不可克隆函数PUF电路的可重构注册和验证过程，其步骤包括：

1)一个N+M位的挑战信号输入PUF电路后，译码电路将N个比特映射到阵列大小为N×K的N行WL字线电平；M个比特将被译为读取电路中多路选择器MUX的地址.在挑战信号输入晶体管阵列后，每一个晶体管都会对输入值和存储值进行存算一体化的XNOR操作，即N位挑战信号与一个N行K列的二值矩阵按列进行逐位的XNOR操作，并对每一列的XNOR结果进行汉明重量求和，反映为SL上的列电流大小；

2)读取电路中的多路选择器将根据M个比特对应的值，从K列电流中选出两列电流，并将它们输入到读取电路中的差分放大器SA中，以实现响应信号的产生：当第一列电流大于第二列电流时，所述差分放大器SA产生高电平，作为响应信号“1”输出；当第一列电流小于第二列电流时，所述差分放大器SA产生低电平，作为响应信号“0”输出。

7.一种物理不可克隆函数PUF电路的随机状态产生方法，其特征在于，用于权利要求1所述的物理不可克隆函数PUF电路的可重构注册和验证过程，其步骤包括：

1)状态擦除：固定所有位线BL和感线SL为低电平；在所有字线WL施加第一预设时长、第一预设高电平的负电压，将双极特性场效应晶体管阵列的状态全部擦除到高阈值状态；

2)预编程：固定所有位线BL和感线SL为低电平；在所有字线WL施加第二预设时长、第二预设高电平的正电压，等同的，将所述的双极特性场效应晶体管阵列的状态从高阈值改变为中间阈值状态.根据晶体管的随机涨落特性，同一个晶体管在经历两次相同的预编程后，在预编程后的中间阈值状态彼此间存在一定随机差异；

3)比对电流：固定所有位线BL为驱动电压V_dd；在某一行的字线WL施加第三预设时长、第三预设高电平的正电压，其它行的字线WL均为低电平；在不改变存储层对应阈值状态的前提下，读取感线SL上晶体管转移特性曲线对应的漏极电流，记录为第一预编程后开态电流；重复执行步骤1至步骤3，得到感线SL上晶体管新一次的电流，记录为第二预编程后开态电流；比对两次预编程后的开态电流，若第一次开态电流较大，则晶体管记为“1”，较小则该晶体管记为“0”；

4)编程：所有被记为“1”的晶体管对应的位线BL和感线SL固定为低电平，被记为“0”的晶体管对应的位线BL和感线SL固定为中间电平；在所述某一行的字线WL施加第四预设时长、第四预设高电平的正电压，将双极特性场效应晶体管阵列中所有被记为“1”的晶体管状态编程到低阈值状态，而被记为“0”的晶体管状态将保持不变；随后进行对称的操作，将所有被记为“0”的晶体管对应的位线BL和感线SL固定为低电平，被记为“1”的晶体管对应的位线BL和感线SL固定为中间电平；在所述某一行的字线WL施加第四预设时长、第四预设高电平的负电压，将双极特性场效应晶体管阵列中所有被记为“0”的晶体管状态编程到高阈值状态，而被记为“1”的晶体管状态不变。