¿Son estables los transistores con polarización inversa?

El circuito habitual (que se encuentra ampliamente en Internet) para la fuente de entropía de un verdadero generador de números aleatorios (TRNG) es un transistor con polarización inversa como este:

Fuente de entropía de transistor con polarización inversa

Q1 suele ser un 2N3904, ya que se ha descubierto que es bastante ruidoso al revés cuando se ejecuta en modo de avería. +ve es típicamente del orden de 11V. Esta topología funciona bien inicialmente.

Me encontré con alguien que había construido un TRNG y experimentó problemas por los cuales "después de unos 3 meses de uso, la señal de ruido se desviaba". He visto otras referencias a la degradación a largo plazo de dicha topología, pero parece que no puedo ubicarlas en este momento.

Tengo la sensación de que empujar continuamente los electrones por el lado equivocado de un transistor podría ser perjudicial, pero no he encontrado ninguna referencia que lo demuestre de una forma u otra. Después de todo, este no es el caso de uso principal de un transistor.

¿Podría la unión sufrir daños graduales e irreversibles alterando así sus características de ruido? Los diodos Zener son otra situación por completo, ya que la ruptura es su modus operandi.

Tres referencias sobre E.SE analizan la polarización inversa, pero no la estabilidad a largo plazo:

Descripción de la unión PN con polarización inversa

¿Una unión PN con polarización inversa crea ruido cuántico?

¿Mi ruido de avalancha es "aleatorio"?

¿Es un transistor con polarización inversa estable a largo plazo?

Ese 'transistor con polarización inversa' es un diodo de avalancha. Sus propiedades de transistor son irrelevantes a este respecto. Por lo tanto, el fabricante no respaldará su envejecimiento para este propósito.
@ Whit3rd ¿Podría aclarar la última oración de su comentario con respecto a "estar detrás" y "este propósito"?
Si no se especifica lo contrario, no está garantizado. La corriente máxima para especificar el mínimo de Vr es SOLO @10uA con un Vr(min)=-6V, por lo que los elementos que pasan pueden ser -10V, pero si consumen más de 10uA, esto excede su especificación para Vr, por lo que cualquier aplicación que use esto no es compatible y se sabe que fallan, por ejemplo, a 100 uA, por lo que no pueden admitir ninguna aplicación de 10 ~ 50 uA con certeza o "respaldarla". Lo mismo es cierto para los LED. MÁX. También pueden ser buenos para la corriente de ruido, pero corren el riesgo de fallar en la unión.
He observado un aumento de la capacitancia de la unión debido a fallas tempranas en los LED expuestos a> -5 V mediante el barrido de CA con una gran serie R y usando el alcance XY para comparaciones de VI con LED dañados y buenos. El aumento de la capacitancia ocurre con un nanogap puenteado en el aislante entre los conductores cuando la polarización inversa es causada por una alta densidad de flujo (calor) en una zona más pequeña, lo que provoca una falla estructural del semiconductor. Este efecto de avalancha es bastante diferente de los diodos Zener diseñados para soportar grandes corrientes inversas con ruido.
@PaulUszak: el fabricante del transistor ha tomado precauciones contra el envejecimiento, suponiendo una polarización normal del transistor. Cuando invierte la base y la deja así durante mucho tiempo, los campos eléctricos en las superficies son tales que la contaminación puede moverse. La vida útil del dispositivo puede depender de los detalles de pasivación de la superficie que no se prueban con la base en avalancha. Por lo tanto, una pieza ONsemi, una pieza TI y una pieza Zetex pueden ser completamente diferentes. He visto que la avalancha de base causa cambios rápidos en los parámetros.
El ruido de disparo es blanco. Pero, en general, también habrá un ruido de parpadeo de 1/f.

Respuestas (1)

No, no son estables.

  • pero la estabilidad mejora con corrientes más bajas <= 10uA de mi investigación. *

La ganancia de corriente Ic/Ib de los transistores bipolares disminuye fuertemente cuando se daña el óxido sobre la unión emisor-base. Los resultados obtenidos con diferentes condiciones de estrés llevan a señalar dos procesos de degradación: el proceso principal consiste en el aumento de la recombinación en la vecindad de la región de carga espacial en la unión base-emisor.

Ref DEGRADACIÓN DE PARÁMETROS DE UNIÓN DE UN TRANSISTOR BIPOLAR NPN TENSIONADO ELÉCTRICAMENTE

N. TOUFIK, F. PILANCHON y P. MIALHE*

El informe anterior se basó en el 2N2222, que tiene un umbral de ruptura inversa más bajo que el 2N3904 y también más voltaje de ruido, pero quizás una degradación más rápida. Todavía tengo que encontrar un informe sobre el 2N3904, por lo que una corriente de avalancha no controlada es inestable con una resistencia pequeña

Transistor I=1μA 10μA  100μA   Noise(I=10μA) For I=[5-50]μA noise:
BC107B  9.30V   9.30V   9.28V   200mVpp     inc., max=10μA, dec.
BC548A  8.44V   8.46V   8.45V   100mVpp     constant
BC547B  8.23V   8.22V   8.23V   100mVpp     decreases
BC547C  8.36V   8.35V   8.34V   120mVpp     decreases
BC546B  8.19V   8.21V   8.19V   120mVpp     inc., max=10μA, dec.
2N3904  10.82V  10.80V  10.76V  400mVpp     constant
2N2222A 7.20V   7.25V   7.23V   440mVpp     constant

Referencia http://holdenc.altervista.org/avalanche/index.html

ingrese la descripción de la imagen aquíLo anterior usa una fuente de corriente constante a diferencia del rng2.0 de Paul Campbell, que se basa en la corriente de avalancha en la base * hFE limitada por el colector R = 3.3k a 20V, por lo que si hFE es solo 100, el diodo puede ser (20V-1Vsat)/3.3k/ 100(hfe)= 58uA que sería excesivo.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Dada la pregunta inicial, el diseño satura el ruido en una señal digital y el ruido puede variar en la corriente con la temperatura y el ancho de banda espectral, no es estable y se desconoce el umbral por encima de 10 uA donde la falla se degrada rápidamente, lo que limita la corriente inversa a los criterios de prueba de Mfg. porque Vr tendría más sentido.

La siguiente pregunta es ¿qué tan estable debe ser? ¿Qué son los criterios de vida útil y la repetibilidad de las puntuaciones del NIST? ¿Cuáles son los resultados de la prueba sobre el rango ambiental?

Aumentar el tamaño del capacitor de acoplamiento puede aumentar el número máximo de 1 consecutivos, una figura de mérito al extender el número de décadas del rango de frecuencia a expensas del retraso en el arranque o la sensibilidad a la desviación de la regulación del suministro.

¿Existe un TRNG que sea estable entonces?
@ Bradman175 Seamos muy claros. El fragmento de circuito en esta pregunta no es un TRNG. Es una fuente de entropía, lo que significa que es una fuente de señales electrónicas impredecibles. Eso es todo. Para producir números aleatorios uniformemente distribuidos se necesitan más circuitos junto con la extracción de aleatoriedad basada en software. No tengo conocimiento de ningún TRNG comercial que opere completamente en hardware sin extracción de software.
El ruido blanco se puede crear con corriente de diodo Zener, diodos de avalancha y diodos IMPATT
Pero teniendo en cuenta que el ruido ahora es la señal, y la relación S / N determinará su entropía por distribución de potencia equitativa. Cualquier resonancia espuria o ruido de interferencia recurrente degradará la entropía. Esto se puede determinar mejor con un analizador de espectro. con >60dB SNR
@TonyStewart.EEsince'75 ¿Aprecias la magnitud de tu respuesta? Esto significaría (como sospechaba) que prácticamente todos los diseños TRNG en Internet basados ​​​​en transistores son inestables a largo plazo. También destruye la confiabilidad de dispositivos comerciales como OneRNG, entropykey, TrueRNG, ChaosKey et al.
no es cierto a menos que se verifique a qué nivel de tensión se está aplicando y ganancia para compensar la corriente más baja. OneRng utiliza un circuito de diodo de avalancha
Veo que su diseño de avalancha es lo que muestra 2N3904 con 20V... hmm
Nunca probé este circuito TRNG para MTBF, pero el envejecimiento es sin duda una preocupación importante, ya que el sesgo de -20 V a 3k3 si supera la especificación máxima absoluta de -6 V en Vbe con una corriente de avalancha de fuga elevada. No tengo ningún dato sobre fallas de campo en esos dispositivos comerciales. El problema es que la densidad de potencia es alta ya que el área de superficie de avalancha es muy pequeña a corrientes inversas bajas.
@Tony_Stewart zener/avalanche/IMPATT ¿no son estas fuentes de ruido de disparo, que tiene una distribución de energía de 1/f? No blanco, pero pesado en las bajas frecuencias.
sí, eso es cierto y hay muchos métodos para "blanquearlos" o igualarlos como sugerí originalmente. también NIST tiene criterios para la entropía documentados. csrc.nist.gov/publications/drafts/800-90/…
csrc.nist.gov/groups/ST/rbg-workshop.../… también csrc.nist.gov/publications/drafts/nistir-8139/… Identificación de uniformidad con entropía y divergencia borrador
¿Son estables los transistores con polarización inversa?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v