[发明专利]全硅基CMOS量子随机数发生装置

摘要

全硅基CMOS量子随机数发生装置，使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造芯片内置模块包括：硅基LED(4)、CMOS传感器(3)、处理器(5)和LED控制电路(6)，以随机的光子数作为随机源，在单片集成电路中实现量子真随机数发生系统；从而降低生产成本，实现量子随机数芯片的小型化。使用标准CMOS工艺，方便将全部组成部分集成制造在硅基衬底上，通过提高CMOS传感器的探测频率和增加CMOS传感器的像素数量来提高随机数的输出速率；提供与已知技术的随机数生成器相比，制造真随机数生成器，降低后处理的难度，提高系统稳定性，工艺简捷，能耗少，价格低廉；结构更加简明紧凑。

主权项

1.全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造芯片内置模块包括：硅基LED(4)、CMOS传感器(3)、处理器(5)和LED控制电路(6)，在单片集成电路中实现；CMOS像素阵列(31)包含有至少一个像素，接收光子并转换成电信号；CMOS传感器(3)包括CMOS像素阵列(31)和至少一个模数转换器(32)；至少一个硅基LED(4)作为光源，位于CMOS传感器(3)的一侧或周围；CMOS传感器(3)的CMOS像素阵列(31)采集到的光子数数据发送给处理器(5)做进一步处理；LED控制电路(6)驱动硅基LED(4)发光，并根据处理器(5)发送的控制信号调整硅基LED(4)的发光强度；模数转换器(32)将电信号转换成数字信号，并发送给处理器(5)做进一步的处理；处理器(5)对接收到的原始数据选取至少一个最低位作为随机数并进行输出；处理器(5)周期性统计每个像素吸收的光子数的平均值并计算平均值和方差比值，把每个像素的平均值以及平均值和方差的比值与预设的阈值区间比较，如果某像素的平均值以及平均值和方差的比值处于阈值区间之内则使用该像素的数据来得到随机数，否则舍弃该像素的数据；如果平均光子数处于阈值之外的像素数量超过一定数量，则发送控制信号给LED控制电路(6)调整硅基LED(4)发光强度；根据硅基LED(4)随机发射光子并且光子数分布符合泊松分布的特性，以这一随机的光子数作为随机源；平均光子数足够大的情况下，通过这一方法可以得到随机并均匀分布的0、1比特序列；选取光子数数据的最后四位作为随机数；降低后处理的难度，以便于扩展得到很高的随机数输出速率；通过调整硅基LED(4)光源的工作电流使得每个像素吸收的平均光子数保持在500左右；单个电子的转换电压和ADC相匹配，能够使得在CMOS的线性工作区间内CMOS像素每多吸收一个光子其模数转换器数字输出增加一个单位；CMOS传感器(3)在线性工作区间内做到电子-数字转换比例刚好是1。/n