Элементы и компоненты для систем защиты информации

1.Маскирующие свойства оболочек из метаматериалов
2.Электромагнитные экраны с динамически управляемыми характеристиками
3.Холловские характеристики тонких пленок халькогенидных полупроводников
4.Угрозы применения недекларированных закладных устройств на критически важных объектах информатизации
5.Влияние водосодержащих экранов на ослабление мощности электромагнитных излучений
6.Математические модели прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов трансформаторов радиоэлектронной аппаратуры
7.Эффективность выбора закона распределения параметров в задачах прогнозирования надежности изделий электронной техники на основе их математических моделей деградации
8.Прогнозирование эксплуатационной надежности элементов электронной аппаратуры с использованием справочника RDF 2000 (Франция)
9.Исследование процессов формирование тонкопленочных солнечных элементов с высокой эффективностью
10.Выращивание монокристаллов In2Se3 и определение их структуры
11.Механизм переключения резистивной памяти на основе диоксида гафния
12.Анализ пропускной способности оптического канала связи, использующего счетчик фотонов на базе лавинного фотодиода
13.Экраны электромагнитного излучения на основе смесей порошкообразных материалов

Маскирующие свойства оболочек из метаматериалов 

Известно, что комплексное применение обоих методов может быть эффективным. Примером могут быть летательные аппараты, выполненные по технологии “Стелс”. В результате развития данной технологии было показано, что выбор оптимальной формы и свойств материала позволяет значительно улучшить скрытность и обеспечить защиту их радиооборудования от ЭМИ.

Самым проблемным местом при решении задачи радиомаскировки является обеспечение скрытности антенн.

Наиболее распространенными апертурными антеннами являются зеркальные квазипараболические антенны и плоские антенные решетки. Если первые характеризуются предсказуемой характеристикой рассеяния во всем рабочем диапазоне, то вторые вне рабочего диапазона имеют практически непредсказуемые угловые и частотные характеристики рассеяния. Это не позволяет прогнозировать параметры скрытности системы в целом.

Далее обсуждается возможность создания антенных систем, имеющих предсказуемые и улучшенные характеристики скрытности за счет использования дополнительных оболочек, образованных частотно-селективным метаматериалом. Рассмотрен комплексный вариант построения комбинированной системы радиомаскировки, основанный на использовании 2-х селективных поверхностей.

Электромагнитные экраны с динамически управляемыми характеристиками 

Применение защитных экранов для устранения утечек информации из радиотехнических объектов зачастую невозможно, так как препятствует использованию защищаемыми объектами систем радиосвязи.

Одним из способов разрешения этой проблемы, может быть создание экранов с динамически управляемыми характеристиками, которые позволили бы обеспечивать частотно-временное окно для обеспечения связи в определенные моменты времени. В настоящее время появилось большое число исследований, направленных на создание искусственных сред, позволяющих изменять свои свойства под воздействием управляющего потенциала либо излучения.

В результате проведенных исследований была показана возможность создания такого материала на основе щелевой одно- и двухслойной металлической решетки с включением в каждую щель полупроводниковых элементов. В качестве последних могут использоваться изотропные полупроводники большим временем жизни носителей, например собственного полупроводника, при этом управление параметрами экрана осуществляется оптическим излучением.

Это позволяет создать материал с высокой чувствительностью. Такая система экранов технологична, имеет невысокую стоимость, однако имеет недостаточное для ряда случаев быстродействие. В докладе обсуждается возможность увеличения быстродействия, а также организации трех режимов работы экранов: прозрачности, поглощения и генерации помехи.

С помощью комбинации щелевых экранов и полупроводниковых элементов с туннельным эффектом.

Холловские характеристики тонких пленок халькогенидных полупроводников 

Перспективными в этом плане являются халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП).

Сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследования свойств контактов металл – ХСП дает основания сделать ряд выводов о характере барьеров в таких структурах. Потенциальный барьер структуры образуется при перераспределении зарядов, локализованных на ловушках в объеме ХСП, которое происходит за счет активационного механизма при низких частотах, либо при высоких температурах.

О прыжковом механизме проводимости в твердых растворах ХСП свидетельствуют экспоненциальный рост электропроводности, как функции температуры с энергией активации; при «металлической» концентрации носителей заряда электропроводность значительно меньше минимальной проводимости; высокая концентрация при ломаной температуре наблюдается одновременно с ее активационной температурной зависимостью.

Угрозы применения недекларированных закладных устройств на критически важных объектах информатизации 

Специфика проблем безопасности КВОИ состоит в том, что повсеместно используемые популярные импортные продукты и системы не рассчитаны или не прошли процедуру подтверждения соответствия для применения в тех ситуациях, когда безопасность имеет существенное значение.

Учитывая, что известные методы поиска недокументированных возможностей являются весьма трудоемкими и не позволяют обеспечить высокое доверие к функционированию КВОИ, необходимо также предусматривать меры по перекрытию скрытых (неразрешенных) каналов передачи данных между отдельными агентами.

В связи с этим, обеспечение заданного уровня доверия к используемым на КВОИ продуктам и системам информационных технологий импортного производства должно выполняться в рамках действующих процедур подтверждения соответствия в устанавливаемых с учетом степени критичности КВОИ объемах и соотношениях работ, включающих поиск недокументированных возможностей и перекрытие скрытых каналов передачи данных как внутри КВОИ, так и за их пределы.

Влияние водосодержащих экранов на ослабление мощности электромагнитных излучений 

На сегодняшний день наблюдается активное использование электромагнитного ресурса, которое приводит к возрастанию искусственного электромагнитного фона Земли. По своим частотным и мощностным характеристикам он значительно отличается от естественного фона и, кроме того, оказывает отрицательное влияние на организм человека, создает помехи для работы радиоэлектронного оборудования.

В связи с этим растет актуальность защиты биологических объектов и аппаратуры от негативного электромагнитного излучения (ЭМИ), что приводит к росту актуальности разработки конструкций электромагнитных экранов. К данным экранам предъявляются различные требования, основное из которых — высокая эффективность экранирования при минимальной стоимости. Этому условию отвечают влагосодержащие конструкции.

Целью работы являлось исследование влияния экранов, заполненных водой или водным раствором, на ослабление мощности ЭМИ. Данные экраны, благодаря присущему им свойтсву оптической прозрачности, могут применяться с целью снижения уровня ЭМИ средств отображения информации.

Для проведения исследования были изготовлены три конструкции. Первая из них представляла собой водозаполненный лист сотового поликарбоната с каналами прямоугольного сечения размером 10×10 мм, вторая – водозаполненный стеклопакет, третья – стеклопакет, содержащий в себе водный раствор соли NaCl.

Толщина образцов составляла 10 мм. Исследование заключалось в измерении уровней прошедшей через конструкцию мощности ЭМИ в диапазоне 0,8–16 ГГц. При этом уровни мощности падающей электромагнитной волны (ЭМВ) брались со значениями 1 мВт, 2 мВт, 3 мВт и 5 мВт.

Установлено, что в диапазоне частот 7–16 ГГц все рассмотренные образцы обеспечивают полное подавление мощности падающей ЭМВ. Это обусловлено релаксационными потерями и потерями, возникающими из-за дипольной поляризации воды.

Показано, что растворение NaCl в воде повышает ее способность снижать уровень мощности прошедшего ЭМИ в диапазоне частот 0,8–7 ГГц. Добавление хлорида натрия в воду приводит к увеличению ее электропроводности, а значит, уровень пропускаемой мощности ЭМИ в этом случае уменьшается за счет потерь на проводимость.

Таким образом, изменяя химический состав водного раствора в экранирующей конструкции, можно управлять ее электрическими характеристиками и, как следствие, характеристиками ослабления мощности ЭМИ.

Математические модели прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов трансформаторов радиоэлектронной аппаратуры 

Трансформаторы используются практически во всех электронных устройствах. В настоящее время математические модели прогнозирования, используемые в белорусской и российской промышленности для оценки надежности трансформаторов, не в полной мере учитывают их конструктивные особенности и геометрические размеры.

Обычно эксплуатационную интенсивность отказов трансформатора оценивают по модели, которая учитывает электрический режим (коэффициент нагрузки), температуру и обобщенно условия эксплуатации на объекте и функциональное назначение трансформатора.

Предлагается использовать математическую модель, основной отличительной особенностью которой является то, что в ней отдельно рассматриваются основные составные части трансформатора: катушка (обмотки), магнитопровод, система внешних выводов.

Такой подход позволяет получить результаты прогнозирования эксплуатационной безотказности трансформаторов, которые значительно лучше согласуются с данными, полученными из опыта эксплуатации, а также испытаниями на надежность, выполненными промышленными предприятиями, научно-исследовательскими институтами в России и Республике Беларусь.

Эффективность выбора закона распределения параметров в задачах прогнозирования надежности изделий электронной техники на основе их математических моделей деградации 

Как правило, в электронике оправдано использование нормального закона распределения параметров. В этом случае величинами, численно описывающими тенденцию изменения параметра во времени, являются математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение, которые получают на основе статистического анализа рассеяния параметров выборки изделий электронной техники.

Однако в ряде случаев выбор другого закона распределения может значительно повысить достоверность прогноза, а значит эффективность процесса прогнозирования в целом.

Автором для прогнозирования параметрической надежности изделий электронной техники предлагается использовать экспоненциальный закон распределения параметра во временных сечениях. Как правило, использование этого закона оправдано для полупроводниковых приборов, параметры которых «формируются» под влиянием большого числа разнородных факторов.

Как показали исследования, использование экспоненциального распределения параметров для прогнозирования параметрической надежности полупроводниковых изделий электронной техники (мощные биполярные транзисторы типа КТ872А) с использованием физико-статистических моделей деградации позволяет снизить ошибки прогнозирования и повысить эффективность процесса группового прогнозирования надежности.

Прогнозирование эксплуатационной надежности элементов электронной аппаратуры с использованием справочника RDF 2000 (Франция) 

Интенсивность отказов элементов считается постоянной при неограниченном сроке эксплуатации (общий случай) или в течение ограниченного периода. Возможное изменение интенсивности отказов во времени не принимается во внимание с целью обеспечения простоты оценки эксплуатационной надежности элементов в этих конкретных случаях.

Справочник RDF 2000 предназначен для использования при проектировании нового электронного оборудования и оценки его долговечности, а также для сравнения по надежности различных проектных решений.

В справочнике приводятся формулы для прогнозирования интенсивностей отказов для всех видов полупроводниковых приборов (ИС, диоды, транзисторы и т.д.), приборов оптоэлектроники, конденсаторов, резисторов, соединителей, катушек индуктивности, дисплеев различных типов и различных энергетических устройств.

Справочник был переведен на русский язык и его данные планируется использовать при модернизации системы автоматизированного расчета и обеспечения надежности электронных устройств — системы АРИОН, разработанной в БГУИР договору с Министерством промышленности Республики Беларусь.

Исследование процессов формирование тонкопленочных солнечных элементов с высокой эффективностью 

Одним из основных направлений современного научно-технического прогресса является разработка новых, эффективных технологий использования нетрадиционных источников электроэнергии, в частности солнечной энергии. В связи с этим продолжаются исследования в области разработки дешевых технологических процессов формирования новых полупроводниковых материалов.

Отличительной особенностью исследуемых ТПСЭ является использование темплат-подложки из пористого анодного оксида алюминия (ПОА) для осаждения активных полупроводниковых слоев. Получаемые таким образом полупроводниковые слои имеют регулярную упорядоченную микроморфологию, геометрические параметры которой контролируются подложкой ПОА для оптимального согласования со спектром поглощаемого солнечного излучения.

Развитая микроструктура элемента позволяет повысить коэффициент поглощения излучения при минимальной толщине активных слоев, что, в свою очередь, позволит снизить потери при переносе фотогенерированных носителей тока к электродам.

Процесс изготовления ТПСЭ основан на электрохимической технологии получения темплат-подложки ПОА, в которой электрохимическими методами формируются активные полупроводниковые слои.

Выращивание монокристаллов In2Se3 и определение их структуры 

Методом Бриджмена (вертикальный вариант) выращены однородные монокристаллы бинарного соединения In2Se3. Определен состав и структура полученных монокристаллов, а также определен их тип проводимости, концентрация и подвижность носителей тока. Монокристаллы In2Se3 выращивали направленной кристаллизацией близкого к стехиометрическому составу соединения расплава  из элементарных компонентов полупроводниковой степени чистоты в двойных кварцевых ампулах с оттянутым в виде конуса дном.

После вакуумирования ампулы ее помещали в однозонную вертикальную печь с заданным температурным градиентом. Температуру в печи повышали со скоростью ~100 K/ч до 1000–1020 K. При указанных температурах проводилась изотермическая выдержка в течение 2 ч с включением вибрации. Затем с той же скоростью температуру повышали до 1190–1200 K (без выключения вибрационного перемешивания) и снова выдерживали 2 ч.

После этого вибрацию отключали и проводили направленную кристаллизацию расплава, понижая температуру печи со скоростью ~2 K/ч до полного затвердевания расплава. Результаты микрозондового рентгеноспектрального анализа показали, что содержание элементов в выращенных монокристаллах (In : Se = 40,32 : 59,68 ат.%) хорошо согласуется с заданным составом в исходной шихте (In : Se = 40 : 60.00 ат.%) и не наблюдается значительных отклонений в составе в различных точках кристалла, что свидетельствует о локальной однородности полученных слитков.

Механизм переключения резистивной памяти на основе диоксида гафния 

Актуальной задачей для систем защиты информации является разработка запоминающих устройств, сочетающих энергонезависимое хранение данных неограниченное время без необходимости регенерации, высокую скорость чтения/записи, неограниченное число циклов стирания/записи данных, высокую масштабируемость и плотность ячеек для создания микросхем памяти различного объема.

Одним из перспективных направлений является разработка резистивной энергонезависимой памяти с произвольной выборкой (RRAM) на основе диоксида гафния, HfO2. Применение RRAM с HfO2 сдерживается отсутствием понимания механизма переключения наноразмерных слоев HfO2 из высокоомного в низкоомное состояние. Для объяснения этого механизма имеется ряд моделей, в основном рассматривающих электронные процессы, однако полная ясность пока отсутствует.

Нами предложен механизм обратимого теплового пробоя проводящих наношнуров (НШ) в диоксиде гафния. НШ образуются в результате предварительной электрической формовки наноструктуры металл – HfO2 – металл (полупроводник). В основе механизма лежит предположение, что обратимый тепловой пробой НШ происходит за счет их джоулева разогрева при наличии экспоненциальной зависимости проводимости  НШ от температуры.

Исходя из уравнения теплопроводности и граничных условий, учитывающих теплоотвод через электроды, рассчитана вольтамперная характеристика (ВАХ), а также температура НШ в середине и на границе раздела с электродом. Показано, что ВАХ НШ имеет три характерные области. Начальная и конечная области – линейны по току с различной крутизной, а средняя является S-образной или сверхлинейной в зависимости от температуры среды и параметров наноструктуры.

Форму ВАХ определяют только два параметра: отношение температуры среды к энергии ловушек, а также соотношение между коэффициентами внешнего теплоотвода, теплопроводности НШ и электрода. Зависимости температуры в середине НШ и на его границе с электродом от внешнего смещения также характеризуются тремя аналогичными участками. Показано, что потенциал переключения из высокоомного в низкоомное состояние уменьшается пропорционально росту температуры среды и ухудшению условий теплоотвода.

Анализ пропускной способности оптического канала связи, использующего счетчик фотонов на базе лавинного фотодиода 

Для реализации метода счета фотонов все более широкое применение находят полупроводниковые фотоприемники, такие, как лавинные фотодиоды (ЛФД) [3]. Поэтому в качестве приемного модуля для таких каналов применяются счетчики фотонов на лавинных фотодиодах.

До настоящего времени не были выполнены экспериментальные исследования влияния режимов эксплуатации ЛФД, работающих в режиме счета фотонов, например, влияния напряжения питания и мощности оптического сигнала на пропускную способность оптического канала связи.

В связи с этим целью данной работы является установление зависимости пропускной способности оптического канала связи, содержащего в качестве приемного модуля счетчик фотонов на ЛФД, от напряжения его питания и мощности регистрируемого оптического сигнала.

В качестве объектов исследования использовались кремниевые лавинные фотодиоды со структурами p+n-ν-n+ и n+p-p-p+, где ν и p — слаболегированные области n– и p-типа соответственно. Были выбраны фотоприемники этого типа, так как они позволяют реализовать режим счета фотонов при комнатных температурах.

Определены зависимости скорости передачи информации от напряжения питания ЛФД для постоянного порогового уровня. Установлено, что для ЛФД со структурой p+n-ν-n+ максимуму этой зависимости соответствовало перенапряжение DU=0,5 В, а для ЛФД со структурой n+p-p-p+ DU=0,6 В.

Установлены зависимости скорости передачи информации от мощности оптического сигнала W: каждая зависимость имеет максимум, наличие которого можно объяснить проявлением эффекта мертвого времени τd ЛФД, в результате чего часть фотонов излучения не регистрируется. Оценка длительности мертвого времени показала, что оно составляло τd=1,2 мкс для ЛФД со структурой p+n-ν-n+ и τd =1,0 мкс для ЛФД со структурой n+p-p-p+.

Была получена пропускная способность оптического канала связи Cmax≈100 кбит/c при мощности оптического сигнала W=3,0·10–12 Вт, подаваемого на ЛФД со структурой n+p-p-p+, и Cmax≈90 кбит/c при W=3,3·10–12 Вт для ЛФД со структурой p+n-ν-n+.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что для получения наибольшей пропускной способности оптического канала связи, содержащему в качестве приемного модуля счетчик фотонов на лавинном фотодиоде, необходимо подбирать оптимальное напряжения питания ЛФД и мощность оптического сигнала, транслируемого по каналу.

Экраны электромагнитного излучения на основе смесей порошкообразных материалов 

Экранирующие материалы являются неотъемлемым компонентом систем технической защиты информации. Они обеспечивают снижение уровня электромагнитного излучения в защищаемых экранируемых приложениях. Перспективными материалами с точки зрения стоимости и получения низкого значения коэффициента отражения являются композиты на основе углеродсодержащих порошков.

В работе предложены образцы экранов электромагнитного излучения, полученные нанесением на стекло слоя толщиной 2 мм из смеси из порошкообразных шунгита, никель-цинкового феррита, диоксида титана и 30%-го водного раствора хлорида кальция (CaCl2). Были изготовлены образцы экранов электромагнитного излучения в виде пластин размером 10´10 см и толщиной соответственно 5 мм и 3 мм.

Для образцов были получены на панорамном измерителе КСВН и ослабления значения коэффициентов передачи и отражения в диапазоне частот 8…12 ГГц, которые соответственно равны –7…–10 дБ и –2…–3 дБ.