金属氧化物半导体场效应晶体管示意图。
晶体管的单电子效应可在安全领域找到用武之地。
我们可以把电流想象成流过电子设备的平滑、均匀电子流。在量子尺度上，电流更像是一条包含许多微小波纹的潺潺小溪。波纹可能是由单电子效应引起的。单电子效应是因电子之间的排斥作用而产生的。这种排斥作用通常被限制在非常狭小的空间内，例如晶体管中的“阱点”（trap sites）。单电子效应可导致电子器件的电流、电压等特性产生微小变化。由于阱点大多是制造过程中产生的无法控制的、随机分布的微观缺陷，每个晶体管的阱点数量、位置和能级都不相同。因此，单电子效应对电流、电压特性的影响，会赋予每个晶体管独特的“指纹”。
phys.org网站7月29日报道，日本东芝公司的物理学家T Tanamoto、Y Nishi和日本理化研究所（RIKEN）的研究人员K Ono等认为，晶体管的独特指纹特性有望被用作廉价的身份识别标志，以保护用户的个人信息，并为物联网（IOT）这一新兴互联设备网络提供技术支持。Tanamoto等在《应用物理学快报》杂志发文阐述了单电子效应在影响识别算法和计算机芯片识别与安全方面的应用可能性。Tanamoto在接受phys.org采访时表示：“到目前位置，单电子器件还没有被广泛应用。我们的研究打开了利用单电子效应的另一思路：在安全问题日益严重的时代，将其用作安全装置。”
正如物理学家们所言，电子设备的指纹可被认为是一种物理上不可复制的函数（PUF）。与人类指纹类似，PUF是基于独特的、自然发生的物理变化，不能被传输到其他设备上。此外，即便PUF会因为老化作用出现一些退化，但它在设备的整个寿命周期中都会保留其关键特性。在研究过程中，Tanamoto等应用图像匹配算法来识别不同的电流-电压特性。他们称其为“库伦金刚石”（下文简称CLD）。随着阱点数量的增加，CLD图像会变得更加复杂。人类的指纹会随着环境（潮湿、干燥或油性）的不同而变化，在不同的条件下测得的CLD图像也会有所不同。尽管存在这样的差异，但Tanamoto等证实，应用特征检测和图像匹配算法可以成功提取关键特征（边和角），进而区分不同的CLD图像。这种方法的显著优势在于，即便计算机芯片包含的晶体管数量超过10亿个，但只需要一个晶体管的信息就能为整个芯片生成唯一指纹。但从另一方面来看，该方法仍然面临着很大的挑战。其中最主要的就是CLD的测试温度太低（仅略高于绝对零度）。虽然此前的研究表明在室温下测量单电子效应是可行的，但涉及的工艺成本又太高。
下一阶段，物理学家们计划继续探索其他形式的指纹晶体管——测量阱点中电子的自旋量子位行为。此外，研究人员还希望研究如何在量子计算机中应用晶体管指纹安全措施。Tanamoto说：“量子计算机是目前最热门的话题之一。我们希望将量子PUF系统整合到量子计算机的安全系统中，进一步提高其安全性。”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：唐林芳
期刊来源：《应用物理学快报》
期刊编号：0003-6951
原文链接：
https://phys.org/news/2019-07-transistor-unique-quantum-fingerprintbut-id.html
版权声明：本文由科界平台原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。
